极端制造 | 仿生定向结构抑制1200°C以上条件下超亲熔融体表面的润湿|定向结构|极端制造|涂层|液滴|熔融体|超疏水|高温

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作者

王胡军、赵修远、谢正灿、杨彪、郑靖、银恺、周仲荣

机构

西南交通大学

中南大学

Citation

Wang H J, Zhao X Y, Xie Z C, Yang B, Zheng J, Yin K, and Zhou Z R. 2024. Bioinspired directional structures for inhibiting wetting on super-melt-philic surfaces above 1200 °C. Int. J. Extrem. Manuf.6, 045503.

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https://doi.org/10.1088/2631-7990/ad4074

撰稿 | 文章作者

文章导读

过去二十年中，受荷叶启发的超疏水表面因其常温条件下各种优异的性能而引起了研究人员的广泛关注。随着科学技术的不断发展，一些特殊领域对开发能够抵抗高温熔融液滴润湿的表面的需求日益增长。然而，在超高温条件下，难以在超亲熔融体表面直接应用超疏水原理，抑制高温熔融液滴的润湿行为。有趣的是，大自然总是为人类发展先进的人工系统提供多种灵感。

近期，西南交通大学机械工程学院的郑靖研究员、王胡军助理教授，和中南大学极端服役性能精准制造全国重点实验室的银恺教授在SCI期刊《极端制造》（International Journal of Extreme Manufacturing, IJEM）上共同发表《仿生定向结构抑制1200 °C以上条件下超亲熔融体表面的润湿》的研究论文，受水稻叶启发设计并利用飞秒激光在陶瓷表面制备了一种圆环形阵列结构，其在1250 °C条件下具有抑制熔融CMAS润湿的显著功能，且在1400 °C条件下仍能发挥润湿抑制作用，这项工作为超高温条件下抑制熔融液滴在超亲熔融体表面的润湿提供了新思路。

关键词

飞秒激光；仿生结构；润湿；CMAS；热障涂层

亮点

明显抑制熔融液滴在超亲熔融体表面的润湿。
仿生定向结构无需修饰剂辅助即可在1200°C以上条件下抑制润湿。
在1400°C条件下，仿生结构也能发挥润湿抑制作用。
这种润湿抑制能力归因于仿生结构提供的各向异性能量势垒。

研究背景

热障涂层（TBCs）对于燃气涡轮发动机的可靠运行至关重要。目前常用的TBCs主要由Y2O3稳定的ZrO2（YSZ）组成。当含有CaO-MgO-Al2O3-SiO2（简称CMAS）的空气被吸入发动机时，TBCs很容易被熔融的CMAS侵蚀（熔化温度>1200 °C），导致TBCs的失效和剥落。运用超疏水原理构建超疏CMAS熔融体表面有望减轻熔融CMAS对TBCs的侵蚀，但这种解决方案现阶段还面临诸多挑战。例如，熔融CMAS和水之间存在显著的理化性质差异，并且常用有机疏水改性剂在高温下不可避免发生氧化和分解，导致改性剂的选择受限。尽管存在一些耐高温改性剂可供选择，但它们可能对TBCs的热循环和热冲击寿命产生影响，并且成本较高。此外，虽然现有技术能够在不使用疏水改性剂的条件下，仅通过设计具有重入曲率的表面结构，即可实现超亲水性到超疏水性的转换，但由于制造技术的局限性，这类结构还难以应用于TBCs表面。

最新进展

受荷叶与水稻叶的启发，文章利用飞秒激光分别加工出了周期性仿生锥形结构与平行凹槽结构。如图1所示，锥形结构促进熔融CMAS的润湿与铺展，而对于凹槽结构而言，熔融CMAS沿着平行于凹槽方向的润湿与铺展受到促进，在垂直于凹槽方向上的润湿与铺展却受到抑制。因此，进一步设计制备了仿生圆环形凹槽结构（BDS），结果发现该结构能够抑制熔融CMAS的润湿。

图1各种仿生结构的设计制备和性能。（a）荷叶照片，（b，c）相应仿生结构SEM图，（d）熔融CMAS在试样表面的润湿与铺展；（e）水稻叶照片，（f，g）相应仿生结构SEM图，（h）熔融CMAS在试样表面的润湿与铺展；（i）BDS设计示意图，（j，k）BDS的SEM图；CMAS的（m）XRD谱图和（n）DSC曲线；（o）抛光平面SEM图，（p）熔融CMAS在抛光平面的润湿与铺展。

如图2所示，通过优化BDS的特征参数后发现，在1250 °C条件下，熔融CMAS的接触角从9.2°增大至60°，铺展面积减小70.1%。即使温度上升至1400 °C，熔融CMAS的润湿与铺展也得到明显抑制，这种良好的润湿抑制能力（不依靠疏熔融体修饰剂的作用）还鲜有报道。随着加热温度与时间的增加，覆盖在BDS的微纳结构发生明显变化，但并不影响其润湿抑制能力，说明BDS抑制熔融CMAS润湿的能力主要源于微尺度的凹槽。

图2BDS在润湿抑制方面的鲁棒性。（a-d）不同放大倍率下BDS的SEM图；（e）激光烧蚀前后YSZ表面XRD谱图；接触角与铺展面积随（f）加热时间与（g）温度的变化；（h）1400 °C及以上条件下，现有结构化YSZ表面对熔融CMAS润湿和铺展的抑制能力；（i-l）1300 °C加热5 h后，BDS的SEM图与熔融CMAS的润湿与铺展行为；（m-p）1300 °C加热10 h后，BDS的SEM图与熔融CMAS的润湿与铺展行为。

文章进一步分析BDS抑制润湿的机理，如图3所示。当三相接触线（TCL）沿着平行于凹槽方向前进时，无需克服能量势垒，而TCL垂直于凹槽方向的运动需要克服一定的能量势垒。此外，当TCL平行于凹槽方向运动时，由于毛细管力，将促进熔融CMAS的润湿与铺展。因此，由于存在各向异性能量势垒，熔融CMAS沿着圆环径向方向的润湿得到抑制。考虑到实际情况下，CMAS与BDS的接触位置是随机的，因此，作者将由一定数量同心圆环组成的BDS阵列在YSZ表面，发现其仍然具有良好的润湿抑制能力。

图3BDS表面熔融CMAS的微观润湿行为及BDS抑制润湿的机理。（a-c）熔融CMAS微观润湿行为的SEM图；（d）BDS不同位置的元素含量；CMAS润湿后BDS纵剖面的（e）SEM图及（f）元素分布图；（g，h）平行凹槽表面的TCL运动与能量势垒示意图；（i）BDS通过能量势垒抑制润湿的示意图，（j）BDS模型纵剖面示意图；（k）ΔG作为s的函数。

未来展望

为了进一步优化结构设计以满足实际应用，需要对熔融CMAS碰撞YSZ表面的动态润湿与铺展行为进行深入研究，探究仿生结构对高速熔融CMAS的润湿抑制行为，揭示潜在的作用机制。此外，仍需进一步进行仿生结构的优化设计，拓展其应用场景，促进高温熔融体润湿问题的解决。

作者简介

郑靖

西南交通大学

郑靖，西南交通大学机械工程学院研究员、博士生导师，国家优秀青年基金获得者、教育部新世纪优秀人才、四川省杰青和全国优秀博士学位论文提名获得者，英国利兹大学和美国阿肯色大学访问学者。主要研究方向为生物摩擦学与仿生制造，先后承担包括国家自然科学基金重大项目、重点项目、优秀青年科学基金、面上项目等在内的多项国家级和省部级课题，在生物与仿生摩擦学领域，尤其是牙齿摩擦学及其仿生领域开展了大量系统的研究工作。研究成果获教育部自然科学奖一等奖1项。

王胡军

西南交通大学

王胡军，西南交通大学机械工程学院助理教授，《摩擦学学报（中英文）》青年编委，获吉林省优秀博士学位论文。主要从事机械仿生摩擦学与机械仿生表/界面设计制造研究，先后主持国家/四川省自然科学基金青年项目、中国博士后科学基金项目等课题。在《Friction》《Tribology International》《Wear》《International Journal of Extreme Manufacturing》《Chemical Engineering Journal》《ACS Applied Materials & Interfaces》等刊物发表SCI检索论文15篇，获授权国家发明专利5项。

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关于期刊

International Journal of Extreme Manufacturing(《极端制造》），简称IJEM，致力于发表极端制造领域相关的高质量最新研究成果。自2019年创刊至今，期刊陆续被SCIE、EI、Scopus等20余个国际数据库收录。JCR最新影响因子16.1，位列工程/制造学科领域第一。中科院分区工程技术1区。

期刊网址：

https://iopscience.iop.org/journal/2631-7990

http://ijemnet.com/

期刊投稿：

https://mc04.manuscriptcentral.com/ijem-caep

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