微纳米孔铝板的疏水结霜性能研究

发布时间：2019-02-28 14:40

【摘要】：结霜现象广泛存在于制冷、低温工程、航天航空等领域,霜层的存在带来诸多不利的影响。轻者会造成室内停电,空调制冷、制热失效等故障,重者会引起输电线路倒塌、飞机坠机等事故。因此,提高物体表面的抗霜性能是保证设备安全高效运行的有效方式。疏水表面的制备可以从以下两个方面入手:一方面是通过一定的物理、化学或生物的方法使材料表面具有微纳米孔结构;另一方面是在材料表面涂有低表面能的涂层来改变材料表面性能。本文的试片是通过二次阳级氧化法制备的不同孔径的AAO(Anodic Aluminum Oxide,又称多孔阳极氧化铝)模板,选用了一种普通抛光铝板(以下简称样品1)和孔径分别为30nm,90nm,200 nm,300 nm,400 nm(以下简称样品2,样品3,样品4,样品5,样品6)的五种微纳米孔铝板做为试验试片,通过表面接触角测试仪测量出它们的接触角。课题组研制了结霜测试装置来观察样品表面的霜层形貌特征,测试装置由半导体制冷片、温湿度环境控制小室、温湿度测试系统、数据采集系统和数码显微镜等组成。测试试样放置在一个温湿度恒定的环境控制小室内(Te=22℃,相对湿度φ=60%),小室内无空气流动。第一次试验选用的材料为样品1、样品2和样品6,制冷片冷表面的温度设置为-10℃,通过对表面结霜过程的实时观测,并对不同样品表面结霜过程的形貌变化进行拍摄,获得不同表面凝露、霜晶出现和霜晶覆盖等代表性时段的时间节点。从测试结果可知:样品1表面的霜层形状呈球状→针状→片状进行演变;样品2表面的霜层形状的演变过程是椭圆状→针状;样品6表面的霜层形状的演变过程为珠状→絮状→无规则状,测试结果显示不同样品表面的霜层形状的演变过程差异较大,这主要是由于其表面微孔结构差异所造成的。从结霜延缓时间来看,样品1表面凝露、霜晶出现和霜晶覆盖的时间分别为2min、3min和15 min,样品2表面凝露、霜晶出现和霜晶覆盖的时间分别比样品1延缓了约1min、4min和3min,而样品3相对于样品1的延缓时间分别为13 min、7 min和15min。对于微纳米孔铝板表面的抑霜性能试验,本文主要研究了空气流动方式、空气温度、空气相对湿度三个因素对微纳米孔铝板表面抑霜性能的影响。试验在可编程式恒温恒湿控制箱内完成,结霜量采用电子天平进行测量。测试结果表明:样品5的抗霜效果最好,但其疏水性能并不是最好,反映出样品表面结构的对其抗霜性能和疏水性能存在着不同的影响机制。测试结果表明:当环境温度在-5℃~-25℃范围内、相对湿度为φ=60%时,各样品表面相对样品1表面的平均结霜量减少率分别为36.98%、33.83%、26.54%、22.19%和16.93%;当环境温度在-5℃~-25℃范围内、相对湿度为φ=75%时,各样品表面相对样品1的平均结霜量减少率分别为37.24%、28.24%、22.67%、21.04%和14.53%;当环境温度在-5℃~-25℃范围内、相对湿度为φ=90%时,各样品表面相对样品1的平均结霜量减少率分别为15.73%、15.06%、9.57%、0和0。测试结果反映出环境温度相同时,各样品表面的结霜量随着相对湿度的增大而逐渐增大。在环境相对湿度为φ=60%,风速为0.25m/s、0.5m/s、0.75m/s和1.0m/s工况下,各表面相对无空气流动(无风速)工况下的结霜量在不同温度下的平均结霜量减少率分别为:11.77%、23.24%、30.48%和39.07%。测试结果反映出随着环境风速的增大,各样品表面的结霜量逐渐减小,这主要是由于环境空气流动所引起的对流蒸发及换热对样品表面结霜造成一定的破坏,从而降低其表面结霜量。在上述试验测试的基础上,本文还根据微纳米孔铝板表现出的延缓结霜时间和抗霜性能,分别从液滴成核密度和吉布斯自由能方面分析了不同样品表面的疏水和抗霜机理,并采用表面水蒸气的凝结和吸附理论分析了样品表面结构对霜层形貌的影响。同时采用多孔介质分形理论对微纳米表面结构进行分析,摸清了样品表面微孔结构的分形维数与其抗霜性能的关系。
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【学位授予单位】：广东工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TG174.4

【参考文献】