江苏激光联盟导读：采用NIR飞秒激光制造出纳米级和多尺度的形貌；激光能处理后的表面可以显著的延迟液滴的冷冻时间；该表面涂层还会抑制结霜，严重的磨砂后的多尺度表面形貌呈现出畏冰的性质。

大自然中表面疏水现象

水滴在荷叶表面不会被水浸润的现象

图1 成果的Graphic图

成果简介：表面覆盖微米级、纳米级和多尺度的形貌的物体表面由于具有排斥的性能而受到人们的广泛关注。超快激光加工成为广泛应用的一种清洁加工技术而用来在金属表面进行大面积的纳米尺度和多尺度的形貌。在当前的工作中，单层和两层的多尺度的形貌在不锈钢表面利用单步法飞秒激光加工技术来将材料赋予防冰性能。液滴冻结和结霜在激光为处理的金属表面上的情况在-10℃下进行了研究，并同充满润滑剂和超疏水的纳米涂层进行了对比研究。疏水的纳米尺度的形貌则会加速液滴的冻结，其表现甚至比没有处理的还要槽糕，他们的疏水对面则需要更长的时间，几乎是两倍的时间来冻结。总的来说，超疏水的两层多尺度形貌会显著地延迟液滴冻结和结霜的时间。进一步的，两层的尺度形貌可以保持其防冰性能，即使是在经受了25次磨损循环之后也不丧失，而表面只有纳米尺度的形貌和纳米颗粒涂层的表面则仅仅在只有10次循环之后就会丧失他们的性能。因此，这一鲁棒性的双层多尺度形貌属于完全没有任何涂层，可以促进和加强许多工业场合中的应用，这些场合是在表面会聚焦冰而造成性能下降，如航空、冰箱、空调和能源等场合。

图2 SEM、3DAFM/轮廓形貌及相应的横截面轮廓：（a-a2）LIPSS，标尺为5μm；（b-b2）MS形貌，标尺为10μm；（c-c2）NW涂层，标尺为2μm

引言

金属表面的积冰现象在工程实践中，如飞机和涡轮的表面、冰箱的管道和空凋以及能量传输的管线中是一个非常令人关注的问题，这是因为在表面冰的聚集会影响运行效率。在有些情况下，甚至会导致设备的运行失效。例如，冰箱系统中的蒸发器的结霜会导致能量消耗增加。因此，在金属的表面减少冰的形成的努力可以减少产品开发的费用。传统的基于机械、热和化学清理的除冰办法，尽管其努力有一定的效果，但却会远远的增加运行的成本。另外一个方面。通过制造微米或者纳米尺度的表面形貌来实现表面功能化也是一种被动的办法，这一方法作为一种排斥冰的方法得到了显著的注意。尽管当前的技术表明织构可以显著的延缓冰的形成和减少冰的粘附，其主要的挑战是在金属表面进行大面积的和3D/自由曲面表面制造出具有成本优势和有效的且包含微米、纳米和多个尺度形貌的表面。

图3 接触角随着时间（以天数来计算）的变化结果，样品为5个研究的形貌，水在单独的表面上的液滴的情况显示在插入的图中

织构表面的防冰性能主要归因于它的表面能比较低。尽管表面能可以通过涂层的办法来降低，这一涂层是用含氟处理的化合物来制备的。但这一涂层不耐用。相反，微米或者纳米形貌的表面可以降低表面能达到一定程度，但这主要归因于处理的材料。这一低能的表面呈现出超疏水特性，此时的水滴为Cassie-Baxter状态（CBS）会形成，尤其是在微米或纳米形貌中捕获空气的时候。CBS在织构表面的粘附为当液体接触时，呈现出赋予动力减阻、抗生物污染、抗润湿等性质。然而，亚稳态的CBS向稳态的Wenzel（WS）的转变会导致这些功能的丧失。另外一方面，润湿性并不是一个单一的表面性质会导致排斥冰。甚至当织构表面在室温下呈现出较高的水接触角，局部的致密化微米级的形貌中的组织间隙在冷冻时仍然会造成冰的形成，此时被称之为Wenzel冰。结果，防冰功能可以通过在接近零度时的织构表面维持住CBS而实现。一个维持CBS和由此实现此目标的为Cassie冰的状态，是通过纳米级的形貌来实现的，此时会增加在纳米尺度的空穴中的蒸气压而一直固化。这一纳米级的形貌或多尺度形貌包含微米级和纳米级的特征，呈现出较高的防冰性能。

图4 均值化的该分辨率的C1s谱，分别为原始的材料，没有时效的LIPSS和时效的LIPSS

制备方法

本次研究的基体材料为AISI 430不锈钢，其尺寸规格为35X35X0.7mm来进行飞秒加工。该不锈钢在加工前的表面平均粗糙度为40nm。一个微加工工作站用来制备纳米和微米级的多尺度形貌，面积区域为30X30mm。使用的激光器为掺杂镱的激光器，该激光器的平均功率为5W，脉冲停留时间为310 fs，最大脉冲重复频率为500 KHz，波长为1032nm，采用3D扫描振镜来进行。制备出两种类型的表面形貌：微米级和纳米级的表面多尺度形貌。

图5 （a）具有MS形貌的条件下水滴的等温冻结情况；（b）在参考平面时，在功能化的表面上测量得到的接触角

图6 在研究的功能表面上得到的接触角的冻结时间

图7 MS形貌时结霜的阶段变化

图8 （a）在功能性的表面结霜的变化情况；（b）结霜的区域对整个功能表面的比例情况

图9 （a）LIPSS在摩擦循环10次之后的表面形貌，标尺为5μm，（b）MS形貌在25次循环之后的结果；（c）在摩擦之后移除了LIPSS和MS的纳米尺度的特征之后的结果；（d）在不同的形貌中得到的延迟接触角冻结的结果

主要结论

使用飞秒激光在不锈钢上制备的单层纳米条纹（LIPSS）和双层多尺度（MS）形貌进行了研究。其功能性特性同润湿剂植入和商业化的纳米颗粒涂覆的超述说表面进行了对比。将本研究的6种表面分为三组。第一组，处于原始状态和LIS的表面在未结构化的光滑表面处具有不同的润湿性。第二组包含单层纳米结构（LIPSS）具有疏水和亲水性质，作为参考样品的纳米颗粒涂覆的多尺度结构呈现出超疏水。

总的来说，表面为双层结构时可以显著的延缓液滴的冷冻时间和抑制结霜的形成。而且，双层结构保持了相当好的防冰性能，甚至是在摩擦循环之后也能保持，这在其他表面处理中是不存在的。研究表面在纳米尺度的纹路中，微观的凸起提供了稳定的致密诱导的润湿转变，尤其涉及在MS形貌的时候。同时，周期和随机的纳米结构，如LIPSS和NW的性能优于LIS样品。单层的形貌在经受摩擦后其寿命比较短，但双层的效果却不一样。双层的在多次摩擦后仍然可以保持较好的性能。

文章来源：

Anti-icing properties of femtosecond laser-induced nano and multiscale topographies，Applied Surface Science，Volume 552, 30 June 2021, 149443，https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2021.149443