【摘 要】
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低温高湿环境下积冰与覆冰的发生和堆积,会给输电线路、复合绝缘子以及电力基础设施和运输系统造成高能耗或重大危害,引发严重的安全问题。本文主要从被动防冰和主动除冰两个方面来提高聚二甲基硅氧烷（PDMS）的抗结冰能力,其中被动防冰方面采用直接模板法在样品表面制备微结构,它可以减少水滴与表面的有效接触面积,降低冰的黏附强度,为了进一步加强防冰性能,还引入了可触发多尺度宏观裂纹的多孔结构使冰黏附力进一步大幅
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低温高湿环境下积冰与覆冰的发生和堆积,会给输电线路、复合绝缘子以及电力基础设施和运输系统造成高能耗或重大危害,引发严重的安全问题。本文主要从被动防冰和主动除冰两个方面来提高聚二甲基硅氧烷（PDMS）的抗结冰能力,其中被动防冰方面采用直接模板法在样品表面制备微结构,它可以减少水滴与表面的有效接触面积,降低冰的黏附强度,为了进一步加强防冰性能,还引入了可触发多尺度宏观裂纹的多孔结构使冰黏附力进一步大幅度降低。在主动除冰方面向PDMS中添加改性的磁性高效光热粒子碳纳米管（CNTs）,在磁场下能够迁移到表层,提高光热效率,在近红外光照射下迅速发热除冰。（1）采用传统水热法制备了四氧化三铁（Fe3O4）纳米粒子,利用聚膦腈（PZS）缩聚反应,成功制备了核-壳型聚膦腈包裹的四氧化三铁（Fe3O4@PZS）,最后负载碳纳米管,得到了改性的磁性高效光热粒子碳纳米管（CNTs/Fe3O4@PZS）,然后混入PDMS中,用直接模板法制备出表面具有阵列微结构的PDMS/CNTs/Fe3O4@PZS磁性复合材料,其中模板涂覆有全氟硅烷（FDTS）的表面接触角（CA）为152°,呈现超疏水。在液滴高速冲击实验后,表面仍能保持较高的疏水性;在冰黏附力测试和结冰实验测试中,冰黏附力17k Pa,冻结时间11.5min,相变时间（液-固）230s,表面与液滴接触面积较小,长霜整齐,分布密度低,与平面PDMS相比,冰黏附力降低30%,冻结时间增加2.5倍,相变过程延长95s,结霜时间延迟6min。光热效应测试中,PDMS/CNTs/Fe3O4@PZS表面温度随时间和内部磁性填料呈线性增长变化,20s内最高可达到250°C,磁场作用下成型的样品,效率额外会提高～40%,最高表面温度10s内可达到280°C,仅20s就能融化整个冰滴,即使损坏表面,光热效应的效率并没有随之降低。这种主动除冰和被动防冰的结合以及又可以避免涂层、润滑层致命的缺陷无疑是新一代抗结冰材料的需求。（2）柔性多孔聚二甲基硅氧烷（p PDMS）材料由于其相对较大的比表面积应用会更加广泛,本文提出了一种将离心和热压相结合的方法,能够快速大量生产表面具有微结构的高度互连的三明治状p PDMS海绵。作为最佳的牺牲模板可食用盐,通过这种方法在PDMS中重新排列,获得的高连通性孔有助于盐在3h内溶解,从而大大提高了整个制造过程的效率。微米级的截锥体结构和高度互连的孔结构相结合,使海绵表面的CA呈现153°,冰黏附强度低至6.78k Pa,实现了超低冰黏附力。为了评估CNTs对p PDMS/CNTs海绵的机械性能和光热效应的影响,进行了单轴拉伸、压缩试验、摩擦起电和光热除冰试验。对于p PDMS/CNTs（93/7）海绵,结果显示断裂伸长率高达161%,应力低至23k Pa,摩擦起电电压2.2V。此外,在808nm的近红外光照射下,其表面温度在10s内从25°C迅速上升至100°C,30s可以融化冰滴,实现了远程操控除冰,这种具有高韧性的超疏水和防冰/除冰海绵有望用在多功能柔性电子设备。
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