方楠 | 国外超疏水材料最新进展及其军用潜力分析

WaterOff

2022-08-14 03:35:39

超疏水材料是一类对水具有极端排斥性的材料，通常由特殊的表面微纳结构和低表面能化学物质构成，水滴在其上无法滑动铺展而保持球型滚动状，从而达到滚动自清洁的效果。超疏水材料独特的固-液界面性质，使其在表面自清洁、生物防污、腐蚀防护、抗结冰、流体减阻、热传递等领域展现出巨大的应用潜力。

外军十分关注超疏水材料技术发展，长期支持高校、小企业等开展超疏水材料的研制工作，通过成分/结构设计优化和制备工艺创新加速超疏水材料的实用化，持续探索超疏水材料的军用潜力。美国海陆空三军和DARPA近年来资助了几十个超疏水材料相关研究项目，一方面支持美国橡树岭国家实验室、莱斯大学等高校开展超疏水材料的基础研究，重点解决表面微结构不稳定、力学性能不足、耐久性差等问题；另一方面，通过小企业创新研究计划和小企业技术转移计划，长期资助多家小企业针对具体军事需求开展超疏水材料研究，包括船舶结构用耐用超疏水防冰涂层、超疏水纳米防冻纳米复合材料、舰艇表面减阻用超疏水涂层、飞机起落架用超疏水涂层、热交换器用超疏水防冰涂层等。

1、提升武器装备的防腐、防污、防冰等综合防护能力，有效降低维护成本

在防腐方面，超疏水材料通过阻隔水分子与金属材料的直接接触，有效缓解金属材料的氧化腐蚀。2017年4月，受美国海军研究署、空军研究实验室等资助，密歇根大学研制出一种高耐磨性超疏水涂料。该涂料由氟化多面体低聚倍半硅氧烷（F-POSS）低表面能材料和氟化聚氨酯高弹体（FPU）粘合剂混溶制成，涂覆于基材后形成超疏水涂层。涂层表面受损后F-POSS迁移至损伤处形成新的低表面能微纳粗糙结构，实现自修复。FPU的高弹性能缓解涂层受到的外力冲击，使涂层经受4000次Taber循环磨耗测试仍能保持超疏水性，而现有超疏水涂层经约40次Taber循环磨耗测试后即丧失超疏水性。‍

在防污方面，超疏水材料通过抑制海洋微生物在船体表面的附着，实现良好的污损防护。2016年3月，新加坡科技研究局研制出一种环保型船用防污涂层。这种涂层采用第三代疏水聚合物聚甲基恶唑啉制成，抗氧化性更强且对环境友好。测试结果表明，该涂层能承受两个月的海水浸泡，并能有效抑制微生物的附着。

在防冰方面，超疏水材料通过影响冰形核前液滴的表面滚动，显著改善飞机机翼、起落架等的结冰问题，保障飞机的正常运行。2016年3月，在海军研究署和空军研究办公室资助下，密歇根大学采用聚二甲基硅氧烷、聚氨酯橡胶等作为基体，制备出一系列超疏水防冰涂层。这些涂层经历严重机械磨损、上百次结冰/除冰循环以及长达数月的低温环境后，与冰的粘附强度仍低于10千帕，而传统防冰材料约100千帕。同年6月，在美国空军研究实验室资助下，莱斯大学研制出可高效防冰的石墨烯复合超疏水材料，温度低至-14℃时表面仍不会结冰。-51℃下，仅施加12伏的电压就能使防止材料表面结冰。

2、显著减小飞机和船舶的航行阻力，节省燃油成本

超疏水材料通过抑制结构表面与环境中的流体、颗粒等物质的相互作用，可有效降低飞机和船舶的航行阻力，减少消耗。2018年6月，在美国海军研究署资助下，密歇根大学研制出多功能超疏水涂料并进行了海试，证实其能有效减阻、提高燃油效率并降低潜艇噪声，计划几年内实现小规模军事应用。2019年，美国空军开始研制用于中空长航时飞机蒙皮的超疏水涂层，以降低飞行过程中的摩擦阻力。2020年3月，在DARPA和海军研究署的资助下，加州大学设计出新型超疏水材料。在航速为5-10节、雷诺数为6.5×106的条件下，28平方厘米的试样使4.06米长小船的平均阻力降低了30%。

3、改善关键部件的热管理，提高装备的任务执行效率

在凝结过程释放的表面能作用下，液滴会以一定的速度弹离超疏水表面并实现定向传输，进而有效提升热传递效率。2018年，美国海军通过小企业创新研究计划开展“用于铝质热交换器的超疏水/疏油涂层”研究。该项目旨在开发等离子电解氧化铝转化涂层工艺，将金属表面转化为超疏水金属氧化物陶瓷涂层，以解决V-22“鱼鹰”倾转旋翼机铝制热交换器在沙漠、海洋等恶劣环境下散热效果较差的问题，提高其任务执行效率和范围。

（蓝海星：方楠）