金属表面微纳结构阵列的可控构建及其冷凝特性研究

发布时间：2018-02-26 22:27

  本文关键词： 纳米结构阵列 微纳复合结构 可控构建 超疏水表面 润湿 冷凝 自迁移　出处：《东南大学》2015年博士论文　论文类型：学位论文

【摘要】：低温高湿环境下金属表面的凝露、结冰／霜现象普遍存在,给航空航天、空调热泵、低温储存等领域相关设备的稳定运行带来了安全隐患,如何有效地防护金属表面的冷凝和结冰/霜已成为一个亟待解决的问题。低黏附超疏水表面不但具有自清洁、耐腐蚀等特点,而且还具有抗结冰/霜等特性,因此,如能将超疏水表面技术应用于金属材料,实现金属表面抗结冰霜功能,对相关应用领域具有重要的实际价值。由于抗冰霜的关键是抑制初始冰晶和霜晶的形成,本质是抑制露滴的形核或促进已形成液滴的快速脱落；已有研究发现,微纳复合结构阵列超疏水表面更易形成Cassie态的水滴,但到底何种结构对水滴脱落最为有利目前尚不清楚,因此,开展金属表面微纳结构阵列的可控构建,并对不同结构表面的润湿和冷凝特性进行深入研究,对促进金属表面抗凝露、结冰／霜功能的实现具有重要作用。在已有的研究基础上,本文重点开展了以下研究：采用氨水浸泡法,构建了“草”状、“鸟巢”状、“菜花”状和空洞迷宫状微结构,氟化后四种结构对宏观静态水滴接触角均达超疏水态。其中,“鸟巢”状和“菜花”状微结构的水接触角在160°以上,滚动角在5°以下。研究发现稀氨水的(水和无水乙醇体积比1：1)混合溶剂溶液浸泡铜箔形成结构和组成复杂的菜花状多晶结构,与稀氨水的水溶液浸泡铜箔形成的正交相Cu(OH)2单晶纳米带迥然不同；并且得出氨水在两种溶液反应中的作用。利用溶液合成ZnO法,构建了发散纳米锥、规整纳米棒和微米“蜂窝”结构,氟化后三种结构均达低黏附超疏水态；其中,高度规整纳米棒结构的接触角165.3°和滚动角1.6°,具有优异的疏水特性。结合稀氨水浸泡法构建的四种结构,发现高度规整纳米棒结构具有最好的宏观疏水性能。此外,利用Zn(NO3)2·6H2O和KOH配制的[Zn(OH)4]2-水溶液35℃下实现了铜基底上规整ZnO纳米棒/锥阵列的生长,首次近室温条件下惰性基底上实现一维ZnO纳米结构阵列的生长,突破了溶液合成一维ZnO纳米结构阵列的生长技术,并揭示了可能的生长机制。微加工多种微米级和亚毫米级粗糙结构,并与高度规整纳米棒复合,构建出多种分级复合结构。氟化后,发现微米网格、微米沟槽和微米柱分别与规整纳米棒复合的微纳分级结构水接触角均在160°以上,滚动角约1。,较单一纳米棒结构的水滚动角下降明显(下降率近40%)；亚毫米棘齿和亚毫米四棱锥与纳米棒复合的水接触角虽然160°左右,但滚动角却远大于单一纳米棒结构的。研究发现对于宏观疏水特性,纳米级粗糙结构对表面粗糙度起主导作用,影响水接触角大小；微米级粗糙结构增加了表面捕获空气的能力,促进了Cassie态接触,从而影响水滴滚动角大小。分别对12种典型结构超疏水表面进行冷凝试验,观察和分析其冷凝行为,结果显不：(1)单一结构超疏水表面,高度规整纳米棒结构冷凝性能最好,冷凝30mmin表面水滴覆盖率和水滴滞留质量面密度分别为亲水铜箔的10.0%和16.6%;复合结构超疏水表面,(600#-1200#)微米网格-纳米棒的冷凝性能最好,冷凝30min表面水滴覆盖率和水滴滞留质量面密度分别为亲水铜箔的7.8%和10.4%；“蜂窝”状结构超疏水铝片在水蒸气凝结条件下不再具有超疏水性。(2)除“蜂窝”状外,其余11种结构的超疏水表面冷凝性能均明显优于普通亲水铜箔和铝片。研究发现影响冷凝性能的主要因素是纳米结构,只有不大于冷凝微滴脱落平均尺寸的微米结构才能对冷凝性能起增强作用。(3)微滴自迁移现象的存在与否可成为判定超疏水表面在冷凝条件下能否保持稳定超疏水性(保持Cassie态接触)的判据：微滴自迁移的动力来源于微滴相互合并所释放的富余表面能转化的动能；微滴能否发生自迁移现象,最主要的决定因素是超疏水表面的微观结构,尤其是纳米结构。
[Abstract]:It is found that the super - hydrophobic surface of micro - nano composite structure has the characteristics of self - cleaning , corrosion resistance and so on . The results show that the water contact angle of nano - rod is more than 160 掳 and the rolling angle is about 1 . ( 2 ) In addition to " honeycomb " , the superhydrophobic surface condensation performance of the remaining 11 kinds of structures is obviously superior to that of ordinary hydrophilic copper foil and aluminum sheet .

【学位授予单位】：东南大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TG174.4
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本文编号：1539918