方楠 | 国外超疏水材料最新进展及其军用潜力分析

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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。

方楠 | 国外超疏水材料最新进展及其军用潜力分析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。‍ 方楠 | 国外超疏水材料最新进展及其军用潜力分析在防污方面，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。