方楠 | 國外超疏水材料最新進(jìn)展及其軍用潛力分析

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2022-08-14 03:35:39

超疏水材料是一類對水具有極端排斥性的材料，通常由特殊的表面微納結(jié)構(gòu)和低表面能化學(xué)物質(zhì)構(gòu)成，水滴在其上無法滑動鋪展而保持球型滾動狀，從而達(dá)到滾動自清潔的效果。超疏水材料獨(dú)特的固-液界面性質(zhì)，使其在表面自清潔、生物防污、腐蝕防護(hù)、抗結(jié)冰、流體減阻、熱傳遞等領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大的應(yīng)用潛力。

外軍十分關(guān)注超疏水材料技術(shù)發(fā)展，長期支持高校、小企業(yè)等開展超疏水材料的研制工作，通過成分/結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化和制備工藝創(chuàng)新加速超疏水材料的實(shí)用化，持續(xù)探索超疏水材料的軍用潛力。美國海陸空三軍和DARPA近年來資助了幾十個(gè)超疏水材料相關(guān)研究項(xiàng)目，一方面支持美國橡樹嶺國家實(shí)驗(yàn)室、萊斯大學(xué)等高校開展超疏水材料的基礎(chǔ)研究，重點(diǎn)解決表面微結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定、力學(xué)性能不足、耐久性差等問題；另一方面，通過小企業(yè)創(chuàng)新研究計(jì)劃和小企業(yè)技術(shù)轉(zhuǎn)移計(jì)劃，長期資助多家小企業(yè)針對具體軍事需求開展超疏水材料研究，包括船舶結(jié)構(gòu)用耐用超疏水防冰涂層、超疏水納米防凍納米復(fù)合材料、艦艇表面減阻用超疏水涂層、飛機(jī)起落架用超疏水涂層、熱交換器用超疏水防冰涂層等。

1、提升武器裝備的防腐、防污、防冰等綜合防護(hù)能力，有效降低維護(hù)成本

在防腐方面，超疏水材料通過阻隔水分子與金屬材料的直接接觸，有效緩解金屬材料的氧化腐蝕。2017年4月，受美國海軍研究署、空軍研究實(shí)驗(yàn)室等資助，密歇根大學(xué)研制出一種高耐磨性超疏水涂料。該涂料由氟化多面體低聚倍半硅氧烷（F-POSS）低表面能材料和氟化聚氨酯高彈體（FPU）粘合劑混溶制成，涂覆于基材后形成超疏水涂層。涂層表面受損后F-POSS遷移至損傷處形成新的低表面能微納粗糙結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)自修復(fù)。FPU的高彈性能緩解涂層受到的外力沖擊，使涂層經(jīng)受4000次Taber循環(huán)磨耗測試仍能保持超疏水性，而現(xiàn)有超疏水涂層經(jīng)約40次Taber循環(huán)磨耗測試后即喪失超疏水性。‍

在防污方面，超疏水材料通過抑制海洋微生物在船體表面的附著，實(shí)現(xiàn)良好的污損防護(hù)。2016年3月，新加坡科技研究局研制出一種環(huán)保型船用防污涂層。這種涂層采用第三代疏水聚合物聚甲基惡唑啉制成，抗氧化性更強(qiáng)且對環(huán)境友好。測試結(jié)果表明，該涂層能承受兩個(gè)月的海水浸泡，并能有效抑制微生物的附著。

在防冰方面，超疏水材料通過影響冰形核前液滴的表面滾動，顯著改善飛機(jī)機(jī)翼、起落架等的結(jié)冰問題，保障飛機(jī)的正常運(yùn)行。2016年3月，在海軍研究署和空軍研究辦公室資助下，密歇根大學(xué)采用聚二甲基硅氧烷、聚氨酯橡膠等作為基體，制備出一系列超疏水防冰涂層。這些涂層經(jīng)歷嚴(yán)重機(jī)械磨損、上百次結(jié)冰/除冰循環(huán)以及長達(dá)數(shù)月的低溫環(huán)境后，與冰的粘附強(qiáng)度仍低于10千帕，而傳統(tǒng)防冰材料約100千帕。同年6月，在美國空軍研究實(shí)驗(yàn)室資助下，萊斯大學(xué)研制出可高效防冰的石墨烯復(fù)合超疏水材料，溫度低至-14℃時(shí)表面仍不會結(jié)冰。-51℃下，僅施加12伏的電壓就能使防止材料表面結(jié)冰。

2、顯著減小飛機(jī)和船舶的航行阻力，節(jié)省燃油成本

超疏水材料通過抑制結(jié)構(gòu)表面與環(huán)境中的流體、顆粒等物質(zhì)的相互作用，可有效降低飛機(jī)和船舶的航行阻力，減少消耗。2018年6月，在美國海軍研究署資助下，密歇根大學(xué)研制出多功能超疏水涂料并進(jìn)行了海試，證實(shí)其能有效減阻、提高燃油效率并降低潛艇噪聲，計(jì)劃幾年內(nèi)實(shí)現(xiàn)小規(guī)模軍事應(yīng)用。2019年，美國空軍開始研制用于中空長航時(shí)飛機(jī)蒙皮的超疏水涂層，以降低飛行過程中的摩擦阻力。2020年3月，在DARPA和海軍研究署的資助下，加州大學(xué)設(shè)計(jì)出新型超疏水材料。在航速為5-10節(jié)、雷諾數(shù)為6.5×106的條件下，28平方厘米的試樣使4.06米長小船的平均阻力降低了30%。

3、改善關(guān)鍵部件的熱管理，提高裝備的任務(wù)執(zhí)行效率

在凝結(jié)過程釋放的表面能作用下，液滴會以一定的速度彈離超疏水表面并實(shí)現(xiàn)定向傳輸，進(jìn)而有效提升熱傳遞效率。2018年，美國海軍通過小企業(yè)創(chuàng)新研究計(jì)劃開展“用于鋁質(zhì)熱交換器的超疏水/疏油涂層”研究。該項(xiàng)目旨在開發(fā)等離子電解氧化鋁轉(zhuǎn)化涂層工藝，將金屬表面轉(zhuǎn)化為超疏水金屬氧化物陶瓷涂層，以解決V-22“魚鷹”傾轉(zhuǎn)旋翼機(jī)鋁制熱交換器在沙漠、海洋等惡劣環(huán)境下散熱效果較差的問題，提高其任務(wù)執(zhí)行效率和范圍。

（藍(lán)海星：方楠）