区域选择生长法制备特殊浸润性表面及应用研究

发布时间：2020-11-07 16:45

　　 结霜覆冰现象在自然界和工农业生产中广泛存在,不仅会带来经济损失,而且对人们的生命安全存在着安全隐患。为保障系统的正常运行,需周期性的对表面进行融霜与脱冰处理。通过改变表面浸润性来抑制冰霜的附着,促进融霜与脱冰,相比于传统方法,这是一种比较理想的方法,无需增加额外的设备与能源消耗。本课题首先对表面浸润性原理进行研究,然后探究浸润性与微观结构对结霜覆冰过程的影响,建立液滴的成核相变模型。仿真发现相变凝固时间随接触角增大而延长,同时发现复合结构中的间距与宽度比值为0.5、1、2时对应的凝固时间分别为118秒、121.6秒和140.6秒,比值越大,贮存空气越多,相变越延迟。为制备出这种可以大量贮存空气的复合结构超疏水表面,首先采用激光刻蚀方法在不锈钢基底上制备单一圆孔阵列微米结构,然后采用水热合成方法制备单一氧化锌纳米结构,寻找出最佳的反应条件,即0.025mol/L的六次甲基四胺,0.05mol/L的六水合硝酸锌和0.75gPEI的混合水溶液60ml,88摄氏度下水热生长8小时。进而探索出通过氧化锌的区域选择生长实现微纳米复合结构的方法,其最佳接触角达到了172.5度,滚动角仅为1.7度。本课题通过实验对比不同不锈钢样品表面上的结冰与结霜的过程。复合结构超疏水表面凭借其较大的接触角与结构中贮存的大量空气,液滴结冰时间相比在未处理的表面延缓了94秒。在低温-21摄氏度,湿度35%条件下,本课题制备的超疏水复合结构表面上的霜晶出现时间相比未处理表面延迟24天,在湿度为75%的特别潮湿环境下仍然延迟了39小时,并且相同时间下,前者霜的分布更稀少。此外,在霜层融化过程中,超疏水表面对融化冰水混合物的黏附力低,霜层收缩为球状,最终在外力作用下将从表面脱落。
【学位单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2019
【中图分类】：TB66
【部分图文】：

结霜覆冰会增加飞机的飞行阻力，严重影响飞行器的操控性，程中的安全性。所以研究结霜和覆冰的机理，以及防结霜防覆经引起国内外研究学者的关注[2-4]。荷叶、水黾等自然生物启发，超疏水材料可以通过较大的接触角糙结构捕获的空气气垫延长材料表面结霜覆冰的时间，同时较使液滴在相变之前快速滚落，因此超疏水表面因其独特的表面元协同结构在结霜覆冰方面具有巨大的研究价值。超疏水现象自清洁效应，如图 1-1 所示，水滴在荷叶表面以水珠形式存在表面，并且十分容易滚动，这样的表面被研究者称为超疏水表的许多动植物身上同样可以观察到超疏水现象，例如水稻叶具自清洁效应；水黾在水面上能够快速行走，主要得益于它的腿特性[5-7]。随着研究的进行与科学技术的发展，许多研究人员陆法制备出了超疏水表面。同时正是由于超疏水表面具有独特的减阻、油水分离、防结霜、防覆冰、液体输运、生物医药、抗各个方面呈现了广泛的应用前景[8-10]。

图 1-2 化学刻蚀得到的铝表面微观形貌与接触角[15]激光刻蚀技术是近年来新兴的一种刻蚀技术，它利用激光束和物质之间的作用对材料进行微加工。相对其他制备方法，激光刻蚀法对材料表面的控为细致精确，刻蚀结构可控。潘俏菲，于艳玲等利用紫外纳秒脉冲激光加锈钢表面，然后用低表面能试剂修饰，通过改变激光工艺参数和选择不同修饰试剂，获得了接触角 163.3 度，滚动角 8 度的超疏水表面。其加工工程和样品表面微观形貌如图 1-3 所示[16]。

哈尔滨工业大学工学硕士学位论文图 1-2 化学刻蚀得到的铝表面微观形貌与接触角[15]激光刻蚀技术是近年来新兴的一种刻蚀技术，它利用激光束和物质之间相互作用对材料进行微加工。相对其他制备方法，激光刻蚀法对材料表面的制较为细致精确，刻蚀结构可控。潘俏菲，于艳玲等利用紫外纳秒脉冲激光工不锈钢表面，然后用低表面能试剂修饰，通过改变激光工艺参数和选择不化学修饰试剂，获得了接触角 163.3 度，滚动角 8 度的超疏水表面。其加工艺流程和样品表面微观形貌如图 1-3 所示[16]。
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本文编号：2874215