静电植绒六大优势之五
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各向异性是指物理或化学性质具有方向依赖性。大量各向同性材料的电学、热学和润湿特性都与方向无关。[65] 但在某些应用场景中，需要对这些特性进行定向调控。静电植绒结构的定向表面设计，为实现电学、热学和润湿特性的精准优化提供了可能。
一、各向异性电导率
得益于垂直排列和直接表面接触的特性，超电容器或电极中的植绒纤维结构在电解质、活性材料和集流体之间形成桥梁，同时兼具活性材料和集流体的功能（图a)。这些优势不仅促进了物质交换，还降低了离子传输阻力。[66] 植绒纤维结构与电极材料及基底形成优异的欧姆接触，确保电子高效传输并实现电解质充分接触。[67,68] 此外，植绒纤维结构的垂直有序排列为表面沉积的活性材料提供了丰富的离子交换和电子传输“高速公路”（图b)，有效提升了活性材料的性能特征，并增强了垂直于基底方向的导电性。[67,69] 上述所有因素共同作用，使得导电路径沿着纤维方向呈定向且直线延伸。
二、定向热导率
由于某些材料（如六方氮化硼h-BN和碳纤维）在单一方向上具有优异的导热性能，通过静电整流技术可以使其材料呈现独特的各向同性排列而非随机分布。[18,20] 静电整流技术提供了一种特殊填料排列方式，能够使填料与材料最大导热方向对齐，形成各向异性表面。这种排列方式不仅优化了热传导路径效率，还能最大限度提升材料的定向导热性能。[20,22] 采用氮化硼片层（BN/环氧树脂）静电整流处理的柔性环氧树脂薄膜，展现出最快的温度响应速度。
在短短250.4秒内即可达到92.3°C（图c)，且蜂窝结构BN/ 环氧树脂的增效效率比随机排列的BN/环氧树脂高出18.6% （图d)。 [18] 此外，纤维沿传热方向排列的静电蜂窝材料展现出更优异的导热性能。上谷等人 [22] 制备了不同排列方式的 垂直取向碳纤维（VACF）支架系列，研究发现其面内导热系数与排列程度密切相关——当碳纤维接近平面分布时，面内导热系数从21 W/m·K骤降至0.4 W/m·K -1 （图e)。
三、各向异性润湿性
在垂直基底表面通过静电植绒形成的致密纤维层，会形成与基底垂直排列的微孔结构。这种结构能够快速吸引并输送诸如油类等液体沿垂直方向流动。通过毛细作用， [59,62,70] 可增强垂直方向的润湿性。此外，当纤维被建模为圆柱体时，沿圆柱流动方向的粘性阻尼比垂直
于圆柱轴线的方向要小。 [71] 这表明圆柱形纤维沿轴向的输运能力大于垂直方向。在将静电植绒技术应用于高速钢表面时，随着更多油分扩散进入沟槽，纤维上部孔隙的毛细力会向上吸引油分，呈现先缓慢后快速的渗透过程。 [62] 首先，油分缓慢润湿沟槽底部（图f，i)。 [62] 随后，随着润湿进程推进，纤维上层孔隙中的毛细力加速油分向上润湿（图f，ii)。 [62] 在分子间作用力的作用下，油滴通过缩小间距相互融合，使上层油膜聚合成连续的薄膜，从而增强横向渗透能力（图f，iii)。 [62] 实验中发现，植绒表面展现出优异的储油性能（图g)，这充分证明了定向润湿技术的优势。目前，越来越多的研究报告表明，通过静电植绒技术可以在高速钢表面实现油污的吸附与输送[59-62,72-77]，或用于重油的清理作业。
a) 电极与集流体界面形貌(i)及循环后SAPN电极表面形貌ii)；经授权转载。 [68] 版权所有©2016爱思唯尔集团。
b) 电极静电成片定向导电原理示意图；经授权转载。 [66] 版权所有©2022约翰威立出版社。
c) 环氧树脂、随机BN/环氧树脂及BN/环氧树脂复合膜在激光点光源加热冷却过程中的红外热成像，测试所用复合材料厚度约200μm；经授权转载。 [18] 版权所有©2023爱思唯尔集团出版。
d) 复合材料相较于纯环氧树脂的导热性能提升对比；经授权转载。 [18] 版权所有©2023爱思唯尔集团出版。
e) 三种复合材料纤维取向角与热导率关系图， 插图为各纤维取向支架对应的动态场光学显微镜图像；经授权转载。 [22] 版权所有©2014威利-维希出版社有限公司，魏因海姆。
f) 植绒层槽渗透示意图，展示纤维方向上的定向润湿现象；经授权转载。 [62] 版权归2022年爱思唯尔公司所有。
g) 倾斜表面的液体储存现象；经授权转载。 [59] 版权归2023年作者（们）所有，根据与Springer Nature旗下伦敦施普林格出版社签订的独家许可协议。
参考文献：
[18]李X、徐Q、雷Z、陈Z，《陶瓷国际》2023年第49卷
[20]孙勇、王思、李敏、顾宇、张哲，《材料描述》2018年第144卷
[22] K. Uetani，S. Ata，S. Tomonoh，T. Yamada，M. Yumura，K. Hata，《先进材料》2014年第26卷
[62]李军、冯科、赵浩、王哲、孟哲，《胶体与表面》A辑，2022年，第651卷。
[65]万俊、宋军、杨志、柯尔希、贾晨、徐然、戴杰、朱敏、徐璐、陈晨、王宇、王宇、希茨、莱西、李宇、杨柏、胡璐，《先进材料》2017年第29卷。
[66]李敏、秦璐、欧科、熊志、郑浩、孙宇，《国际能源研究杂志》2022年第46卷[67]徐晨、李志、杨晨、邹鹏、谢斌、林志、张哲、李斌、康锋、黄晨鹏，《先进材料》2016年第28卷。
[68] G.乔、J.郑、M.蔡、J.诺、K.乔、J.金、H.安、T.南、K.金，《冲浪衣涂层技术》2017年第326卷
[69] J. H. Pikul、H. G. Zhang、J. Cho、P. V. Braun、W. P. King，《自然·通讯》2013年第4卷
[70] D. Lu，J. Ni，Z. Zhang，K. Feng，材料2024,17,4166.
[71] C. Brucker，《物理·凝聚态物质》2011年第23卷。
[72] P. Javier，G. Andres，Y. Jian，A. Dragos，《国际机械科学杂志》2022年第222卷
[77]杨宇、张磊、王军、王翔、段立、王宁、肖锋、谢宇、赵杰，《ACS应用材料与界面》2018年第10卷
[78]杨旭、田宇、周睿、夏锋、龚宇、张晨、季峰、刘立、李峰、张睿、余杰、高涛，《先进纤维材料》2024年第6卷
——摘选自论文<<Electrostatic Flocking: Reborn to Embrace MultifunctionalApplications>>