受生物启发的定向结构可抑制1200°C以上超亲熔表面的润湿

西南交通大学的研究人员受到水稻叶片各向异性润湿性的启发，利用飞秒激光烧蚀技术创造出了仿生定向结构(BDS)，可以抑制高温熔体(>1200°C)的润湿。

该项研究成果发表在《国际极端制造杂志》上，为高温条件下抑制超亲熔表面熔融液滴的润湿提供了新思路。

最常用的热障涂层(TBC) 由 Y 2 O 3稳定的 ZrO 2组成，对于高温条件下用于航空、发电和船舶的燃气涡轮发动机的可靠运行至关重要。当含有 CaO-MgO-Al 2 O 3 -SiO 2 (CMAS) 硅酸盐的空气被吸入发动机时，TBC 很容易被熔融的 CMAS(通常熔化温度 > 1200 o C)腐蚀，导致 TBC 失效和剥落。

作为替代方案，抑制 CMAS 熔体在超亲 CMAS 熔体的 TBC 上的润湿和扩散有望从源头上缓解腐蚀。然而，将超疏水原理应用于降低熔融 CMAS 对 TBC 的润湿性存​​在两大挑战。熔融 CMAS 与水的物理化学性质存在显著差异，而常用的超疏水有机化学改性剂在高温下不可避免地会遭受氧化和分解，导致改性剂的选择有限。根据 Wenzel 模型，在超亲 CMAS 熔体的 TBC 上创建常规微/纳米结构通常会增加 CMAS 的润湿性。

大自然总是给我们带来各种灵感，让我们开发先进的人工系统。与荷叶不同，水稻叶表现出各向异性的润湿性，因为定向大沟槽阵列提供的能量屏障阻碍了水在垂直于沟槽方向上的移动。仿生定向结构能否通过提供各向异性的能量屏障来抑制 CMAS 的高温润湿?

作者利用飞秒激光烧蚀技术在氧化锆表面制备了仿生定向结构。当熔融液滴与结构表面接触时，若三相接触线(TCL)平行于凹槽方向运动，则不需要克服能垒。相反，TCL垂直于凹槽方向的运动则需要克服一定的能垒。由于各向异性能垒的存在，熔融CMAS沿结构径向的润湿受到抑制。

该设计策略可能为抑制高温熔体在超亲熔表面的润湿提供新的解决方案。

研究人员正在继续进行这项研究，希望能够抑制高温熔液滴的动态润湿。他们还希望确保这些结构能够很好地抑制其他高温熔体的润湿。

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