在交通运输、工业生产和实际生活中，结冰常常会带来极大的困扰，最为严重的是飞机在飞行过程中，关键部件一旦结冰就会严重影响航行安全。当前飞机传统的机械振动、防冻液体等被动式除防冰策略存在除冰效果不彻底、污染环境、降低蒙皮寿命等问题；而飞机上较常见的气热主动式除防冰策略则存在无法精准控制、增加能耗等问题，新型电热式主动除防冰系统虽然具有效率高、可靠性好、易控制等优势，但高电能消耗的弊端一直限制其发展，当前行业内亟需稳定、高效、可靠的除防冰新技术。

研究亮点

本文面向当前电热式主动除防冰高耗能的发展瓶颈，结合当前行业内疏水材料防冰技术的前沿，借助可同时实现石墨烯生成和精密图案化设计的激光诱导石墨烯技术(Laser-Induced Graphene, LIG)，使用常见的10.6 μm CO2激光直接辐照于聚酰亚胺薄膜(PI)，通过对激光的扫描速度进行调节(50-125 mm/s)，在常压条件下成功地一步制备了同时具有疏水/超疏水性和电热功能的微米级沟壑状石墨烯表面，拓宽了新型除防冰器件的制备方法。

对疏水石墨烯表面进行基本表征和性能测试，首次观察到了沟壑的宽度与扫描速度之间存在显著的线性负相关关系，这对于激光制造中的精确微调节具有重要意义。低温结冰试验以及稳定性测试表明，石墨烯表面具有长时间可重复用于疏水和延迟结冰的应用潜力。焦耳热性能测试表明，石墨烯表面可在较低的直流电压供电下（3 V-7 V），实现45.5 ℃-151.3 ℃的电热效果，并能够在-23℃的环境下实现表面的除霜除冰功能(如5V供电下，5 s内除霜，90 s内除冰)。上述研究内容和结果证明了激光诱导石墨烯技术可以高效、快速地将具有亲水润湿特性的聚合物表面转化为具有疏水润湿特性的微米级疏水石墨烯表面，为制备同时具有疏水和电热功能的多功能除防冰表面提供了新的思路和制备方法。

图.1制备流程图

图2 50 mm/s、75 mm/s、100 mm/s和125 mm/s扫描速度下：(a-d)制备的微米级结构扫描电镜图像; (e)激光扫描速度与扫描轨迹线宽的拟合; (f)表面的接触角表征。

图3 表面的延迟结冰效果测试：(a) PI薄膜; (b) 75 mm/s; (c) 100 mm/s; (d) 125 mm/s。

图4 (a)1000次循环弯曲后表面接触角的变化; (b-d) 在循环结冰和融化过程中75 mm/s、100 mm/s和125 mm/s扫描速度下表面开始冻结、完全冻结、开始融化和完全融化的时间。

图5 (a-c)75 mm/s扫描速度下样品表面、边缘和截面的C、N、O元素能谱图。

图6 75 mm/s激光扫描参数下制备的表面:(a) PI薄膜和石墨烯的拉曼光谱测试图; (b) 微米结构石墨烯横截面形貌; (c)微米级结构石墨烯表面的三维图像; (d) 3-7 V(间隔为1 V)直流电压供电下微米结构石墨烯表面的电热连接方式和表面温度-时间变化曲线。

图7 (a - e) 3-7v直流电压供电下的表面常温稳态温度和-23℃环境下的除霜除冰效果。

相应的成果以“Fabrication of Micron-Structured Heatable Graphene Hydrophobic Surfaces for Deicing and Anti-Icing by Laser Direct Writing”为题发表在Coatings期刊，文章第一作者为中国民用航空飞行学院航空电子电气学院2021级硕士研究生李世琛，共同通讯作者为中国民用航空飞行学院航空电子电气学院钟勉副教授和民航安全工程学院何强教授。

全文链接：https://doi.org/10.3390/coatings13091559

本团队依托高高原航空安全验证实验室与四川省全电通航飞行器关键技术工程研究中心等省重平台，主要研究方向为表面防除冰，航空橡胶密封等。欢迎相关文献投稿，交流合作。