铝基超疏水表面的制备及其防结冰性能分析

发布时间：2020-11-06 18:42

　　 在生物样件表面的微观结构和化学元素组成的共同作用下,生物体表面具有了超疏水性质。随着对超疏水表面的深入研究,研究人员发现其可以延迟样件表面结冰。受此启发,我们成功的利用仿生学原理和高速线切割加工方法制备了具有防结冰性能的超疏水表面。在这个过程中,我们主要完成了以下几项工作。通过对比分析荷叶、苇叶、三叶草和美人蕉叶片四种生物样件表面静止液滴在样件表面的接触角和滚动角以及运动液滴在样件表面的接触时间,我们选取了荷叶和三叶草作为制备具有防结冰性能的超疏水表面的生物样本。受三叶草表面的超疏水性的启发,我们在7075Al表面通过高速线切割机床二次放电加工方法制备了粗糙表面。在不经过化学处理的基础上,通过这种方法制备的表面具有超疏水性和防结冰性能。此外,为验证样件表面防结冰性能的耐久性,我们对空白样件表面,化学改性样件表面,和二次放电加工样件表面进行了摩擦磨损实验。液滴在二次放电加工样件表面的摩擦磨损实验前后的结冰时间分别为177s和157s,液滴在空白样件表面的摩擦磨损实验前后的结冰时间分别为110s和108s,液滴在化学改性样件表面的摩擦磨损实验前后的结冰时间分别为173s和130s。相关研究证明利用二次放电加工方法制备的超疏水表面的防结冰性能不仅能够抵抗一定的机械强度,而且能够在室温环境下很长一段时间能保证防结冰性能不丧失,具有时间尺度上的耐久性。我们成功的利用一种环境友好,价格低廉,高效的二次放电加工方法制备了具有耐久的防结冰性能的超疏水表面。根据具有超疏水性的荷叶表面的微观结构,我们利用高速线切割方法制备了具有防结冰性能的超疏水表面结构。冰滴在空白样件和荷叶仿生样件表面的形状为铺展状和球状。荷叶仿生样件表面具有结冰延迟功能,且结冰延迟功能随着液滴的体积的增加而增大。冰滴在空白样件表面和荷叶仿生样件表面的粘附强度分别为587±10KPa和168±8KPa,荷叶仿生样件表面可以减小粘附强度。基于VOF和凝固融化模型,通过Fluent 15.0模拟静止液滴在空白样件表面和不同温度的仿生样件表面的静态结冰过程,结果表明液滴的结冰时间随表面温度的变化规律呈现指数分布。此外,结合实验和模拟两种手段,我们分析了运动液滴撞击水平低温表面的过程,结果表眀,相较于空白样件表面,液滴在荷叶仿生样件表面的铺展直径较小和接触时间较短。从静止液滴和运动液滴两个角度证实了所制备的荷叶仿生样件表面具有防结冰性能。考虑到荷叶仿生样件表面的实际应用,我们基于VOF模型模拟了液滴撞击30°,45°,60°样件表面的过程。倾斜样件表面上液滴的接触时间均小于10ms,且铺展直径更小,进一步强化了样件表面的防结冰性能。仿生荷叶结构具有优良的防结冰性能和超疏水性。在本篇文章中,我们基于荷叶和三叶草两种生物样件表面的微观结构成功制备了具有防结冰性能的超疏水表面。两种仿生结构的制备方法简单,效率较高,且由于不需要进行化学处理,制备方法绿色环保,因而具有很大的推广应用的潜力。
【学位单位】：吉林大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2019
【中图分类】：Q811;TB306
【部分图文】：

吉林大学硕士学位论文数出发对液滴的结冰特性的影响进行分析归纳，对所制备的具有防结冰性能的超疏水表面的实际应用进行初步的探索。1.2 仿生学的基本思想1960 年，斯蒂尔博士把仿生学定义为，模仿生物原理来建造技术系统，或者使人造技术系统具有类似于生物特征的科学(31)。在 2004 年，路甬祥院士(32)曾提出，“仿生学是研究生物系统的结构、形状、原理、行为以及相互作用，从而为工程技术提供新的设计思想、工作原理和系统构成的技术科学。”顾名思义，仿生学主要有三部分组成，生物模本，仿生样件，以及仿生学的设计和制造方法(33)。简言之，就是利用仿生学的基本原理（如图 1.1）及相关知识将生物所具有的功能转化为为人类服务的科学技术产品。

第 1 章 绪论人员曾在座头鲸的鳍状肢边发现了垒球大小的球形结节，他们可令鲸鱼快速在海洋中移动(36)。根据这种原理，为风扇边缘设计类似的突起结构，令其空气动力学效率比标准设计提升 30%左右(37)。基于这一理论，当在在风力涡轮机上增加一些结节，也可大大提高涡轮机的效率(38)。

4图 1.3 自然界的超疏水表面1.3 超疏水表面的相关理论基础水的接触角大于 150°，滚动角小于 10°的表面被定义为超疏水表面(56-61)。如之前提到的，超疏水表面具有自清洁能力，耐腐蚀性和防结冰性能等优良性能，如果能够将超疏水表面推广应用，将会给我们现有的生活带来巨大的变化。因而，理解表面的润湿性的相关机理至关重要。该部分我们将主要介绍固体表面的润湿过程，以及固体表面的接触角模型对超疏水表面的相关理论进行简单叙述。1.3.1 润湿过程在固-液接触的过程中，润湿形态可以分为沾湿，浸湿和铺展三种状态(62)。
【相似文献】

相关期刊论文 前10条

1 杜茂华;;日本放电加工的新方法和新技术[J];机床与液压;2006年10期

2 台报;新型放电加工机[J];军民两用技术与产品;2003年12期

3 王立新;利用放电加工进行钛的意匠性处理[J];钛工业进展;2001年01期

4 王更新;日本放电加工技术新动向[J];世界产品与技术;1998年05期

5 徐志辉,赵月英,张红;不需再磨削的放电加工[J];机械工程师;1997年03期

6 ;激光诱导放电加工法[J];国外激光;1994年10期

7 吴希让;;陶瓷及其放电加工的进展[J];汽车工艺;1990年02期

8 吴希让;;陶瓷的放电加工[J];电加工;1993年04期

9 ;放电加工制模机[J];机械开发;1985年02期

10 厐述圣;;国外放电加工技术近况[J];机械工艺师;1986年08期

相关博士学位论文 前3条

1 白雪;混粉准干式放电加工机理及工艺研究[D];山东大学;2014年

2 黄绍服;工具电极高速旋转电化学放电加工基础研究[D];南京航空航天大学;2013年

3 邱明波;半导体晶体材料放电加工技术研究[D];南京航空航天大学;2010年

相关硕士学位论文 前10条

1 余浩;氙灯钨阳极表面环形微沟槽电解放电加工关键技术研究[D];广东工业大学;2019年

2 徐尧;铝基超疏水表面的制备及其防结冰性能分析[D];吉林大学;2019年

3 张鹏辉;模具电极加工与放电加工数控编程自动化技术研究与系统开发[D];上海交通大学;2016年

4 毕勇;硅晶体放电加工电阻特性及穿孔工艺基础研究[D];南京航空航天大学;2010年

5 孟艳华;超声振动辅助气中放电加工技术及其机理研究[D];山东大学;2005年

6 孙艳琪;绝缘硬脆材料电化学放电加工关键技术研究[D];上海交通大学;2015年

7 朱敬文;基于力反馈控制进给系统的电化学放电加工技术[D];上海交通大学;2013年

8 黄磊;基于电化学放电加工工艺的玻璃微细加工研究[D];江苏大学;2016年

9 韩宁;场致射流微细放电加工实验研究[D];上海交通大学;2015年

10 许开仙;场致射流微细放电加工机理研究[D];上海交通大学;2013年

本文编号：2873519