在FH40低温钢材上，利用皮秒激光诱导技术制备出具有稳定超疏水特性的表面，该表面出色的抗结冰性能令人印象深刻

《Applied Surface Science》：Picosecond laser-induced construction of stable superhydrophobic surfaces with outstanding anti-icing characteristics on the FH40 low-temperature steel

　　

Ling Yi | Zijing Wang | Dongsheng Wang | Shibin Sun | Sikai Tang | Xueting Chang

上海海洋大学海洋科学与工程学院海洋材料科学与工程研究所，上海201306，中国

摘要

在严寒环境中航行的极地船只面临表面结冰带来的重大安全风险。传统的超疏水表面在低温下无法保持稳定的Cassie状态，会发生自发的Cassie-Wenzel转变，破坏被困的空气层，降低固液界面的热阻，并削弱抗冰能力。为了解决这个问题，本研究采用皮秒激光蚀刻和真空加热工艺在FH40低温钢上制备了倒金字塔阵列超疏水结构。通过调节激光蚀刻周期，得到了不同结构的样品。基于表面润湿性评估了Cassie-Wenzel润湿转变，并通过抗冰持续时间、结冰温度和冰附着强度评估了倒金字塔结构的抗冰性能，同时从传热原理阐明了抗冰机制。实验结果表明，制备表面的WCA（接触角）可达160.5°，WSA（滚动角）仅为1°；在?10°C时，抗冰时间为1935秒，是未改性FH40钢的60.5倍；即使在?15°C时，也能实现756秒的抗冰延迟。这种环保技术无需额外化学涂层，适用于对环境要求严格的极地地区，为极地船只的绿色抗冰应用提供了有前景的策略。

引言

极地低温环境容易导致船体结构表面结冰，从而增加极地船舶在航行过程中的结冰风险[1]。FH40钢具有高强度[2]、优异的韧性[3]和耐腐蚀性[4]，被广泛用于造船，并常用于船体结构[5],[6]。它是确保船舶航行稳定性和安全性的关键材料。传统的主动除冰技术，包括机械[7]、电热[8]和化学方法[9],[10]，通常需要大量的机械能、热能或化学能。这些方法往往能耗高、效率低，并可能造成环境污染[8],[11]。相比之下，超疏水表面因其无需外部能量输入即可有效抑制结冰而受到广泛关注[12]。

然而，在低温结冰过程中，超疏水表面的润湿行为倾向于从Cassie状态转变为高附着性的Wenzel状态，导致其抗冰性能显著下降甚至完全丧失[13],[14]。主要原因在于超疏水表面的微纳米结构无法有效捕获和稳定空气。在低温条件下，它们无法保持稳定的Cassie状态，导致空气层消失，固液界面热阻突然下降，最终大大削弱了抗冰效果。这是限制超疏水抗冰技术实际应用的关键瓶颈[15],[16]。通过优化表面微纳米结构，可以提高空气捕获能力，从而增加界面热阻并减少界面热传递，有效延长结冰延迟时间[17],[18]。Cassie状态和Wenzel状态是超疏水表面的两种典型润湿状态，它们之间的转变行为直接决定了超疏水表面的抗冰和抗冰附着性能[19]。可以通过测量液滴接触角和三相接触线的大小来识别这两种状态之间的转变[20],[21]。一般认为，当WCA低于150°时，表面已从Cassie状态转变为Wenzel状态。在这种情况下，空气膜消失，界面热阻降低，抗冰性能显著下降[22],[23],[24]。

目前，在超疏水抗冰领域，维持稳定的Cassie状态和延长结冰时间仍是核心未解决的问题。在最近的一项研究中，Chen等人[25]利用飞秒激光微纳加工结合低表面能化学改性技术在镍基底上制备了具有两种类型空气囊泡结构（密封型和开放式）的超疏水表面，揭示了空气囊泡类型对低温润湿稳定性和抗冰性能的影响机制。密封型空腔显著增强了界面空气层的稳定性，有效抑制了低温下的Cassie-Wenzel润湿转变。即使在?15°C，液滴反弹仍未发生，结冰延迟时间仅为550秒，比开放式空腔表面提高了1.5倍。此外，冰附着强度降低到14 kPa，表现出一定的低温抗冰和低附着性能。Gaddam等人[26]采用一步飞秒激光加工技术在不锈钢表面分别制备了单层纳米结构（LIPSS）和双层微纳多尺度拓扑结构（MS），系统研究了表面拓扑对Cassie状态稳定性、液滴冻结行为和结霜特性的影响。结果表明，分级微纳结构可以有效捕获空气并增强界面毛细压力，显著抑制低温凝结引起的Cassie-Wenzel转变。在?10°C时，这种结构将液滴的结冰延迟时间延长至363秒，几乎是原始基底的三倍。同时，它们减缓了表面结霜并降低了结霜覆盖率，但整体抗冰延迟时间仍相对有限。Fu等人[27]通过纳秒激光蚀刻和硅油热处理相结合的工艺在碳化硅表面制备了分级微纳超疏水结构，有效提高了低温下的Cassie-Baxter状态稳定性。该表面将液滴的结冰温度降至?17.6°C。在?5°C时，液滴的完全冻结时间为411秒，是未经处理表面的约11.74倍，冰附着强度为160 kPa，显示出良好的被动抗冰性能。Li等人[28]通过飞秒激光蚀刻结合氟烷基硅烷改性在不锈钢表面制备了周期性微纳复合超疏水表面，有效稳定了Cassie-Baxter状态。在?10°C时，表面将液滴的结冰延迟时间延长至493秒，是裸露基底时间的122%，冰附着强度为19.4 kPa。尽管抗冰性能显著提升，但493秒的延迟时间仍然相对有限。尽管现有研究通过激光蚀刻构建了各种微纳米结构实现了一定的抗冰效果，但关于抗冰时间延长机制和界面热传递机制的深入分析仍不足。因此，难以揭示表面微纳米结构与抗冰性能之间的内在联系。

因此，在本研究中，通过皮秒激光蚀刻结合真空加热处理在FH40极地低温钢上制备了倒金字塔阵列结构的超疏水表面。通过调节激光蚀刻周期，制备了具有不同Cassie状态稳定性的超疏水表面，并对其润湿性、抗冰延迟性能、结冰温度、冻融循环、冰附着强度和机械耐久性进行了测试。结合传热理论，揭示了倒金字塔结构延长结冰延迟时间的机制。同时，根据WCA和WSA的测量结果，分析了超疏水表面的Cassie-Wenzel润湿转变行为。结果表明，制备的表面表现出优异的低温抗冰性能和结构稳定性。此外，整个制备过程中未引入任何额外的活性涂层，使这些表面适用于对环境保护要求严格的极地环境。这项工作可以为极地船只的绿色抗冰技术提供新的见解。

章节摘要

材料

本研究使用的FH40低温船用钢（成分：96.936% Fe、1.574% Mn、0.849% Ni、0.243% Cu、0.217% Mo、0.043% Nb、0.038% W、0.036% Pb、0.005% Ti、V < 0.009%、Co < 0.05%）由宝武钢铁集团有限公司提供。99.99%无水乙醇（上海 Pharmaceutical Chemical Reagent Co., Ltd.）、超声波清洗器（KQ3200DA，昆山超声仪器有限公司）、紫外皮秒激光器（PINE3-355-30，武汉华瑞精密激光有限公司，中国）、真空干燥箱（DZ

形态与表征

在本研究中，通过皮秒激光蚀刻在FH40钢表面制备了倒金字塔结构。通过调节激光蚀刻周期，制备了具有不同Cassie状态稳定性的超疏水表面（图1c-d）。这种优异性能主要归因于其独特的几何设计，解决了传统超疏水表面在低温环境下面临的两大关键问题：

结论

为了解决极地低温环境下超疏水表面容易发生Cassie-Wenzel润湿转变的问题，这种现象会增加固液接触面积，降低界面热阻并进一步削弱抗冰性能，本研究采用皮秒激光蚀刻结合真空加热技术在FH40极地低温钢表面制备了倒金字塔阵列超疏水结构，并探讨了其效果

CRediT作者贡献声明

Ling Yi：撰写——原始稿件、方法论、数据整理。Zijing Wang：方法论、研究。Dongsheng Wang：数据整理、概念化。Shibin Sun：撰写——审阅与编辑、项目管理、方法论、概念化。Sikai Tang：撰写——审阅与编辑、正式分析。Xueting Chang：撰写——审阅与编辑、正式分析。

利益冲突声明

作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文报告的工作。

致谢

本工作得到了中国国家重点研发计划（2025YFE0215001）、国家船舶结构安全重点实验室（Naklas-2025KF002）和上海深海材料工程技术中心（19DZ2253100）的财政支持。