分级结构表面液滴弹跳机制及防冰性能研究

发布时间：2020-10-11 23:23

　　 飞机表面关键部位结冰经常会带来很多问题,甚至给飞行安全带来隐患。尽管传统除冰方法可以一定程度上解决结冰问题,但是会导致飞机的结构设计复杂和燃油效率降低,因此需要开发出一种新型的防除冰方法。超疏水表面由于可以延迟液滴结冰时间和降低冰层黏附强度而在防除冰领域具有良好的应用前景。本论文通过在铝合金表面构造出微观结构和降低表面自由能来制备具有高防冰性能的超疏水表面,研究表面微观结构对润湿性能的影响机制,分析表面冷凝液滴自发弹跳行为、液滴结冰延迟时间、冰层附着强度以及霜层扩展过程。得出的主要结论有:(1)以铝合金为基体材料,首先通过电化学刻蚀的方法构造出微米级块状结构,随后经过水热处理在块状结构表面生长一层纳米级线状结构,最后将这种微纳米分级结构表面置于氟硅烷(FAS-17)中修饰得到超疏水表面。经过对不同结构表面润湿性的对比研究发现:电化学刻蚀过程中控制电压6 V,时间2 h以及水热处理时间为5 h的时候得到最佳疏水性能,其表面液滴静态接触角为164°,滚动角为1.5°。(2)通过研究液滴以一定速度撞击超疏水表面后的运动过程分析微观结构对表面动态斥水性能的影响。在光滑表面上撞击液滴在接触表面后不能反弹离开,而在微纳米分级结构表面撞击液滴在经过铺展、收缩后会反弹离开表面,其与表面的接触时间为9.8 ms,在微米级结构和纳米级结构表面的撞击液滴接触时间分别为12.4 ms和11.6 ms,这是因为超疏水表面特殊的微观结构,可以降低液滴铺展、收缩过程中的粘滞阻力,因此液滴可以迅速弹离试样表面。(3)微米级表面、纳米级表面和微纳米分级结构表面均能有效延长液滴的结冰时间,液滴在基体表面的结冰时间仅为11.3 s,而微纳米分级结构表面液滴结冰时间能延长到1697 s,其表面特殊的微观结构大幅度降低了与液滴的实际接触面积,导致液滴与表面极低的热传递效率,因而液滴需要大量时间来完成过冷过程,且结冰后表面冰层的黏附强度仅有35.7 kPa,相比于光滑表面下降了约20倍。在对三种表面的结霜过程分析中发现,在纳米级表面和微纳米分级结构表面上液滴在冷凝过程中会发生自发弹跳现象,即两颗或多颗冷凝液滴相互合并,随后在表面能的作用下自发弹离表面,这种冷凝液滴自运动是引起超疏水表面有效延缓霜层扩展的重要因素,而复合结构表面由于更低的粘滞阻力而表现出较高的防霜性能。
【学位单位】：南京航空航天大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2019
【中图分类】：V244.15
【部分图文】：

图 1.1 常见飞机结冰部位[6]飞机结冰机理机结冰是由于接触机身表面液态水的冻结产生，而在高空中随着海拔高度和云同存在三种相态的水，分别是普通水滴、冰晶和过冷水滴。其中普通水滴的存飞机飞行高度，因此一般不会在飞机表面冻结。冰晶是水汽在冰核上凝华增长成物，冰晶接触机身后直接沉积在表面，这种现象称为干结冰，飞机干结冰一的附着力很低而在接触后会直接自发脱落，因此不会影响飞行安全[7-9]。水汽在于液态的液滴称为过冷水滴，其存在温度范围一般在 0°C 到-40°C 之间，飞机是由于过冷液滴接触机身后冻结形成。空气中存在较大范围的过冷水滴分散区撞击到飞机表面后会迅速发生冻结，其与机身黏附强度大，并且所形成的冰层此过冷水滴冻结是造成飞机结冰的最重要原因[10-12]。据飞机结冰所形成冰层的结构和形状，一般可以分为明冰、霜冰和混合冰三种较大尺寸的过冷水滴在-10 °C 以上冻结而成，液滴冻结时释放的相变潜热会使高到冰点温度，液滴冻结过程较为缓慢，由于冰中没有气泡，因而外表光滑透

等级 弱积冰 中积冰 强积冰 极积冰厚度m/min）＜0.6 0.6~1.0 1.1~2.0 积冰层厚度cm）≤5.0 5.1~15.0 15.1~30.0 ＞防/除冰技术研究现状面结冰对飞行安全影响巨大，因此需要及时将冰层才能保证飞机的正常冰的必要性开始，科学家们已经开发出了多种防除冰技术。针对飞机上采用的是防冰系统，当飞机处于可能结冰的气象条件的时候开启，防止上的某些部位可以允许有适量结冰，这种情况一般是当冰层积累程度达冰系统进行冰层去除。目前常见的防除冰方法有机械式除冰、加热式防 1.2 所示，其中机械式除冰包括气动带除冰与电脉冲除冰两类，加热式不同可以将其分为气热防冰系统、电热防/除冰系统，以及依靠其他热源。由于加热式防除冰效果较好，因而使用较为普遍。

南京航空航天大学硕士学位论文面润湿研究面润湿理论自然界某些特定的动植物表面时，如荷叶、蝉翼等，会发生些表面上停留，即使存在水滴，也是呈现出近乎圆形的状态具有超疏水性的微观结构和化学组成[23-24]。研究发现，雨是因为在荷叶表面有很多微小乳突结构，而每个乳突上又这种特殊的微观结构是引起荷叶优异疏水性能的主要原因，水性能需要两个因素的共同作用：微观结构和表面化学组能润湿表面，具有高的接触角和低的滚动角。超疏水表面影响，在具有一定粗糙结构的超疏水表面，液滴并不能完与凹槽之间会截留大量空气，使得固体表面与液滴的实际界面[29]。
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本文编号：2837275