冰在固體表面的附著和堆積會導致交通中斷、通信破壞、電力損失和航空、電信、電力、交通等相關設備的損壞。因此,設計和構建具有防結冰性能的表面具有非常重要的意義。大量研究表明,超疏水表面由于其獨特的微納米結構可以截留空氣層,進而降低液滴與表面的有效接觸面積,因而成為抑制冰的形成、減少冰的積累的最有效的策略之一。但是,超疏水表面通常都表現(xiàn)出較差的穩(wěn)定性,在外力作用下,超疏水表面的結構會受到嚴重破壞而使其疏水性下降,進而影響其防結冰性。另外,由于超疏水表面在增強超疏水性和抑制冰核的生長之間仍然存在矛盾,因此,難以制備出在超低溫（<-30.0℃）下具有防結冰性能的超疏水表面。針對上述問題,本文基于低表面能SiO₂納米顆粒制備出具有不同微納米結構和低表面能的超疏水表面,相對于傳統(tǒng)超疏水表面,不僅擁有較好的疏水性和結構穩(wěn)定性,而且具有優(yōu)異的防結冰性能。具體研究結果和創(chuàng)新如下:（1）通過微乳液法制備出具有不同粒徑（300.0 nm、450.0 nm和600.0 nm）的低表面能花狀SiO₂顆粒,并探索了粒徑與超疏水、防結冰性能之間的關系。研究結果顯示,花... 

【文章來源】：中北大學山西省

【文章頁數(shù)】：97 頁

【學位級別】：碩士

【部分圖文】：

具有超疏水性的自然生物

直礱嫻娜笫?閱芙喜睿壞本蔡?喲ソ譴笥?50°時，被認定為超疏水表面，這種表面基本不存在液體潤濕現(xiàn)象[19,20]。然而，真實的固體表面總是有一定的粗糙度和不均一性，因而實測的接觸角與楊氏方程計算的接觸角差異較大，在這種情況下Young’s方程不再適用。因此，還必須要考慮表面粗糙度的影響。（2）Wenzel模型和Cassie-Baxter模型Wenzel[21,22]首先研究了固體表面的粗糙度與其潤濕性能的關系，提出了一個粗糙的、化學均勻（非復合）表面的模型。在該模型中當液滴與固體表面接觸時，液滴始終填滿粗糙表面上的縫隙（如圖1-3（a）），從而使液滴像被粘在表面上一樣難以滾落。該模型中通過引入表面粗糙因子r（r=固-液界面的實際接觸面積/固-液界面的表觀接觸面積），說明了在粗糙表面上表觀接觸角（θ*）和光滑表面上楊氏接觸角（θ）的關系：（式1-2）上式即為Wenzel方程。根據(jù)Wenzel方程，考慮到表面的先驗性質(zhì)，產(chǎn)生粗糙度會同時增加疏水性和親水性。因此，如果表面的接觸角>90°，粗糙度可提高疏水性，而如果接觸角<90°，則親水性會增強[23]。圖1-3潤濕模型示意圖（a）Wenzel模型，（b）Cassie-Baxter模型Figure1-3Schematicillustrationofwettingmodels(a)Wendelmodel,(b)Cassie-Baxtermodelcosθ*=rcosθθγγγcosLVSLSVSLγSVγLVγ(b)(a)

中北大學學位論文8研究發(fā)現(xiàn)，這種粗糙的結構不僅可以有效地提高表面的超疏水性，而且在一定條件下還可以產(chǎn)生一定的防結冰性能[44]。防結冰是一個復雜的現(xiàn)象，需要多學科的研究方法。廣義上講，可以從三個方面來研究該問題。首先，具有粗糙結構的超疏水表面可以將空氣截留在表面紋理中，從而使表面的液滴處于非潤濕的Cassie-Baxter狀態(tài)[45-47]。歸因于被截留的空氣，液滴與固體表面之間的相互作用被最小化，并且當表面稍微傾斜時水滴極易從表面滑落[48]。在實際情況下，如果水滴能夠在凍結之前從表面滾落，則在表面上不會形成冰。Quéré等[49]首先證明了超疏水表面在防結冰方面實用價值，當表面存在傾斜角度時，超疏水表面液滴能夠在零度以下還可以通過重力作用從表面滾落。Wang等[50]設計了一種由PDMS微乳頭和ZnO納米線組成的具有分層結構的超疏水表面，觀察到即使在-20℃的低溫和90%的相對濕度下，液滴在撞擊表面及彎曲表面后仍能立刻反彈，如圖1-5所示。圖1-5（a-d）超疏水表面的SEM圖像；（e-f）超疏水表面上的液滴運動過程Figure1-5(a-d)SEMimagesofsuperhydrophobicsurface;(e-f)thedropletmovementprocessonsuperhydrophobicsurface其次，超疏水表面結構中存在的大量的空氣能夠成為防止液滴結冰的良好的隔熱層，從而延緩了液滴達到成核溫度的時間。同時，這些“氣穴”的存在同樣可以起到減少冰晶非均勻形核的幾率[51]。Wang[44]等人研究了液滴在不同結構表面上的結冰情況，

【參考文獻】：
期刊論文
[1]輸電線路機械除冰作業(yè)過程中抑制脫冰跳躍方法的研究[J]. 姬昆鵬,劉晨,芮曉明,李林,周超.  華北電力大學學報(自然科學版). 2015(04)

碩士論文
[1]超疏水表面的制備及其防冰性能研究[D]. 肖俊.國防科學技術大學 2015



本文編號：3461744