結(jié)霜覆冰現(xiàn)象在自然界和工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中廣泛存在,不僅會(huì)帶來(lái)經(jīng)濟(jì)損失,而且對(duì)人們的生命安全存在著安全隱患。為保障系統(tǒng)的正常運(yùn)行,需周期性的對(duì)表面進(jìn)行融霜與脫冰處理。通過改變表面浸潤(rùn)性來(lái)抑制冰霜的附著,促進(jìn)融霜與脫冰,相比于傳統(tǒng)方法,這是一種比較理想的方法,無(wú)需增加額外的設(shè)備與能源消耗。本課題首先對(duì)表面浸潤(rùn)性原理進(jìn)行研究,然后探究浸潤(rùn)性與微觀結(jié)構(gòu)對(duì)結(jié)霜覆冰過程的影響,建立液滴的成核相變模型。仿真發(fā)現(xiàn)相變凝固時(shí)間隨接觸角增大而延長(zhǎng),同時(shí)發(fā)現(xiàn)復(fù)合結(jié)構(gòu)中的間距與寬度比值為0.5、1、2時(shí)對(duì)應(yīng)的凝固時(shí)間分別為118秒、121.6秒和140.6秒,比值越大,貯存空氣越多,相變?cè)窖舆t。為制備出這種可以大量貯存空氣的復(fù)合結(jié)構(gòu)超疏水表面,首先采用激光刻蝕方法在不銹鋼基底上制備單一圓孔陣列微米結(jié)構(gòu),然后采用水熱合成方法制備單一氧化鋅納米結(jié)構(gòu),尋找出最佳的反應(yīng)條件,即0.025mol/L的六次甲基四胺,0.05mol/L的六水合硝酸鋅和0.75gPEI的混合水溶液60ml,88攝氏度下水熱生長(zhǎng)8小時(shí)。進(jìn)而探索出通過氧化鋅的區(qū)域選擇生長(zhǎng)實(shí)現(xiàn)微納米復(fù)合結(jié)構(gòu)的方法,其最佳接觸角達(dá)到了172.5度,滾動(dòng)角僅為1.7度。本課題通過實(shí)驗(yàn)對(duì)比不同不銹鋼樣品表面上的結(jié)冰與結(jié)霜的過程。復(fù)合結(jié)構(gòu)超疏水表面憑借其較大的接觸角與結(jié)構(gòu)中貯存的大量空氣,液滴結(jié)冰時(shí)間相比在未處理的表面延緩了94秒。在低溫-21攝氏度,濕度35%條件下,本課題制備的超疏水復(fù)合結(jié)構(gòu)表面上的霜晶出現(xiàn)時(shí)間相比未處理表面延遲24天,在濕度為75%的特別潮濕環(huán)境下仍然延遲了39小時(shí),并且相同時(shí)間下,前者霜的分布更稀少。此外,在霜層融化過程中,超疏水表面對(duì)融化冰水混合物的黏附力低,霜層收縮為球狀,最終在外力作用下將從表面脫落。
【學(xué)位單位】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位年份】：2019
【中圖分類】：TB66
【部分圖文】：

結(jié)霜覆冰會(huì)增加飛機(jī)的飛行阻力，嚴(yán)重影響飛行器的操控性，程中的安全性。所以研究結(jié)霜和覆冰的機(jī)理，以及防結(jié)霜防覆經(jīng)引起國(guó)內(nèi)外研究學(xué)者的關(guān)注[2-4]。荷葉、水黽等自然生物啟發(fā)，超疏水材料可以通過較大的接觸角糙結(jié)構(gòu)捕獲的空氣氣墊延長(zhǎng)材料表面結(jié)霜覆冰的時(shí)間，同時(shí)較使液滴在相變之前快速滾落，因此超疏水表面因其獨(dú)特的表面元協(xié)同結(jié)構(gòu)在結(jié)霜覆冰方面具有巨大的研究?jī)r(jià)值。超疏水現(xiàn)象自清潔效應(yīng)，如圖 1-1 所示，水滴在荷葉表面以水珠形式存在表面，并且十分容易滾動(dòng)，這樣的表面被研究者稱為超疏水表的許多動(dòng)植物身上同樣可以觀察到超疏水現(xiàn)象，例如水稻葉具自清潔效應(yīng)；水黽在水面上能夠快速行走，主要得益于它的腿特性[5-7]。隨著研究的進(jìn)行與科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，許多研究人員陸法制備出了超疏水表面。同時(shí)正是由于超疏水表面具有獨(dú)特的減阻、油水分離、防結(jié)霜、防覆冰、液體輸運(yùn)、生物醫(yī)藥、抗各個(gè)方面呈現(xiàn)了廣泛的應(yīng)用前景[8-10]。

圖 1-2 化學(xué)刻蝕得到的鋁表面微觀形貌與接觸角[15]激光刻蝕技術(shù)是近年來(lái)新興的一種刻蝕技術(shù)，它利用激光束和物質(zhì)之間的作用對(duì)材料進(jìn)行微加工。相對(duì)其他制備方法，激光刻蝕法對(duì)材料表面的控為細(xì)致精確，刻蝕結(jié)構(gòu)可控。潘俏菲，于艷玲等利用紫外納秒脈沖激光加銹鋼表面，然后用低表面能試劑修飾，通過改變激光工藝參數(shù)和選擇不同修飾試劑，獲得了接觸角 163.3 度，滾動(dòng)角 8 度的超疏水表面。其加工工程和樣品表面微觀形貌如圖 1-3 所示[16]。

哈爾濱工業(yè)大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文圖 1-2 化學(xué)刻蝕得到的鋁表面微觀形貌與接觸角[15]激光刻蝕技術(shù)是近年來(lái)新興的一種刻蝕技術(shù)，它利用激光束和物質(zhì)之間相互作用對(duì)材料進(jìn)行微加工。相對(duì)其他制備方法，激光刻蝕法對(duì)材料表面的制較為細(xì)致精確，刻蝕結(jié)構(gòu)可控。潘俏菲，于艷玲等利用紫外納秒脈沖激光工不銹鋼表面，然后用低表面能試劑修飾，通過改變激光工藝參數(shù)和選擇不化學(xué)修飾試劑，獲得了接觸角 163.3 度，滾動(dòng)角 8 度的超疏水表面。其加工藝流程和樣品表面微觀形貌如圖 1-3 所示[16]。
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