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作 者

王胡軍、趙修遠、謝正燦、楊彪、鄭靖、銀愷、周仲榮

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機 構

西南交通大學

中南大學

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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

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文章導讀

過去二十年中，受荷葉啟發的超疏水表面因其常溫條件下各種優異的性能而引起了研究人員的廣泛關注。隨著科學技術的不斷發展，一些特殊領域對開發能夠抵抗高溫熔融液滴潤濕的表面的需求日益增長。然而，在超高溫條件下，難以在超親熔融體表面直接應用超疏水原理，抑制高溫熔融液滴的潤濕行為。有趣的是，大自然總是為人類發展先進的人工系統提供多種靈感。

近期，西南交通大學機械工程學院的鄭靖研究員、王胡軍助理教授，和中南大學極端服役性能精準制造全國重點實驗室的銀愷教授在SCI期刊《極端制造》（International Journal of Extreme Manufacturing, IJEM）上共同發表《仿生定向結構抑制1200 °C以上條件下超親熔融體表面的潤濕》的研究論文，受水稻葉啟發設計并利用飛秒激光在陶瓷表面制備了一種圓環形陣列結構，其在1250 °C條件下具有抑制熔融CMAS潤濕的顯著功能，且在1400 °C條件下仍能發揮潤濕抑制作用，這項工作為超高溫條件下抑制熔融液滴在超親熔融體表面的潤濕提供了新思路。

關鍵詞

飛秒激光；仿生結構；潤濕；CMAS；熱障涂層

亮 點

• 明顯抑制熔融液滴在超親熔融體表面的潤濕。

• 仿生定向結構無需修飾劑輔助即可在1200°C以上條件下抑制潤濕。

• 在1400°C條件下，仿生結構也能發揮潤濕抑制作用。

• 這種潤濕抑制能力歸因于仿生結構提供的各向異性能量勢壘。

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研究背景

熱障涂層（TBCs）對于燃氣渦輪發動機的可靠運行至關重要。目前常用的TBCs主要由Y2O3穩定的ZrO2（YSZ）組成。當含有CaO-MgO-Al2O3-SiO2（簡稱CMAS）的空氣被吸入發動機時，TBCs很容易被熔融的CMAS侵蝕（熔化溫度>1200 °C），導致TBCs的失效和剝落。運用超疏水原理構建超疏CMAS熔融體表面有望減輕熔融CMAS對TBCs的侵蝕，但這種解決方案現階段還面臨諸多挑戰。例如，熔融CMAS和水之間存在顯著的理化性質差異，并且常用有機疏水改性劑在高溫下不可避免發生氧化和分解，導致改性劑的選擇受限。盡管存在一些耐高溫改性劑可供選擇，但它們可能對TBCs的熱循環和熱沖擊壽命產生影響，并且成本較高。此外，雖然現有技術能夠在不使用疏水改性劑的條件下，僅通過設計具有重入曲率的表面結構，即可實現超親水性到超疏水性的轉換，但由于制造技術的局限性，這類結構還難以應用于TBCs表面。

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最新進展

受荷葉與水稻葉的啟發，文章利用飛秒激光分別加工出了周期性仿生錐形結構與平行凹槽結構。如圖1所示，錐形結構促進熔融CMAS的潤濕與鋪展，而對于凹槽結構而言，熔融CMAS沿著平行于凹槽方向的潤濕與鋪展受到促進，在垂直于凹槽方向上的潤濕與鋪展卻受到抑制。因此，進一步設計制備了仿生圓環形凹槽結構（BDS），結果發現該結構能夠抑制熔融CMAS的潤濕。

圖1各種仿生結構的設計制備和性能。（a）荷葉照片，（b，c）相應仿生結構SEM圖，（d）熔融CMAS在試樣表面的潤濕與鋪展；（e）水稻葉照片，（f，g）相應仿生結構SEM圖，（h）熔融CMAS在試樣表面的潤濕與鋪展；（i）BDS設計示意圖，（j，k）BDS的SEM圖；CMAS的（m）XRD譜圖和（n）DSC曲線；（o）拋光平面SEM圖，（p）熔融CMAS在拋光平面的潤濕與鋪展。

如圖2所示，通過優化BDS的特征參數后發現，在1250 °C條件下，熔融CMAS的接觸角從9.2°增大至60°，鋪展面積減小70.1%。即使溫度上升至1400 °C，熔融CMAS的潤濕與鋪展也得到明顯抑制，這種良好的潤濕抑制能力（不依靠疏熔融體修飾劑的作用）還鮮有報道。隨著加熱溫度與時間的增加，覆蓋在BDS的微納結構發生明顯變化，但并不影響其潤濕抑制能力，說明BDS抑制熔融CMAS潤濕的能力主要源于微尺度的凹槽。

圖2BDS在潤濕抑制方面的魯棒性。（a-d）不同放大倍率下BDS的SEM圖；（e）激光燒蝕前后YSZ表面XRD譜圖；接觸角與鋪展面積隨（f）加熱時間與（g）溫度的變化；（h）1400 °C及以上條件下，現有結構化YSZ表面對熔融CMAS潤濕和鋪展的抑制能力；（i-l）1300 °C加熱5 h后，BDS的SEM圖與熔融CMAS的潤濕與鋪展行為；（m-p）1300 °C加熱10 h后，BDS的SEM圖與熔融CMAS的潤濕與鋪展行為。

文章進一步分析BDS抑制潤濕的機理，如圖3所示。當三相接觸線（TCL）沿著平行于凹槽方向前進時，無需克服能量勢壘，而TCL垂直于凹槽方向的運動需要克服一定的能量勢壘。此外，當TCL平行于凹槽方向運動時，由于毛細管力，將促進熔融CMAS的潤濕與鋪展。因此，由于存在各向異性能量勢壘，熔融CMAS沿著圓環徑向方向的潤濕得到抑制。考慮到實際情況下，CMAS與BDS的接觸位置是隨機的，因此，作者將由一定數量同心圓環組成的BDS陣列在YSZ表面，發現其仍然具有良好的潤濕抑制能力。

圖3BDS表面熔融CMAS的微觀潤濕行為及BDS抑制潤濕的機理。（a-c）熔融CMAS微觀潤濕行為的SEM圖；（d）BDS不同位置的元素含量；CMAS潤濕后BDS縱剖面的（e）SEM圖及（f）元素分布圖；（g，h）平行凹槽表面的TCL運動與能量勢壘示意圖；（i）BDS通過能量勢壘抑制潤濕的示意圖，（j）BDS模型縱剖面示意圖；（k）ΔG作為s的函數。

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未來展望

為了進一步優化結構設計以滿足實際應用，需要對熔融CMAS碰撞YSZ表面的動態潤濕與鋪展行為進行深入研究，探究仿生結構對高速熔融CMAS的潤濕抑制行為，揭示潛在的作用機制。此外，仍需進一步進行仿生結構的優化設計，拓展其應用場景，促進高溫熔融體潤濕問題的解決。

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作者簡介

鄭 靖

西南交通大學

鄭靖，西南交通大學機械工程學院研究員、博士生導師，國家優秀青年基金獲得者、教育部新世紀優秀人才、四川省杰青和全國優秀博士學位論文提名獲得者，英國利茲大學和美國阿肯色大學訪問學者。主要研究方向為生物摩擦學與仿生制造，先后承擔包括國家自然科學基金重大項目、重點項目、優秀青年科學基金、面上項目等在內的多項國家級和省部級課題，在生物與仿生摩擦學領域，尤其是牙齒摩擦學及其仿生領域開展了大量系統的研究工作。研究成果獲教育部自然科學獎一等獎1項。

王胡軍

西南交通大學

王胡軍，西南交通大學機械工程學院助理教授，《摩擦學學報（中英文）》青年編委，獲吉林省優秀博士學位論文。主要從事機械仿生摩擦學與機械仿生表/界面設計制造研究，先后主持國家/四川省自然科學基金青年項目、中國博士后科學基金項目等課題。在《Friction》《Tribology International》《Wear》《International Journal of Extreme Manufacturing》《Chemical Engineering Journal》《ACS Applied Materials & Interfaces》等刊物發表SCI檢索論文15篇，獲授權國家發明專利5項。

仿生特殊潤濕性宏觀陣列結構材料的最新研究進展—從表面工程到功能應用

三周期極小曲面多孔結構：從多尺度設計、精密增材制造到多學科應用

關于期刊

International Journal of Extreme Manufacturing(《極端制造》），簡稱IJEM，致力于發表極端制造領域相關的高質量最新研究成果。自2019年創刊至今，期刊陸續被SCIE、EI、Scopus等20余個國際數據庫收錄。JCR最新影響因子16.1，位列工程/制造學科領域第一。中科院分區工程技術1區。

期刊網址：

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

http://ijemnet.com/

期刊投稿：

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

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撰稿:編輯部 編輯：范珂艷 審核：關利超

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