本文關鍵詞： 納米結(jié)構(gòu)陣列 微納復合結(jié)構(gòu) 可控構(gòu)建 超疏水表面 潤濕 冷凝 自遷移　出處：《東南大學》2015年博士論文　論文類型：學位論文

【摘要】：低溫高濕環(huán)境下金屬表面的凝露、結(jié)冰／霜現(xiàn)象普遍存在,給航空航天、空調(diào)熱泵、低溫儲存等領域相關設備的穩(wěn)定運行帶來了安全隱患,如何有效地防護金屬表面的冷凝和結(jié)冰/霜已成為一個亟待解決的問題。低黏附超疏水表面不但具有自清潔、耐腐蝕等特點,而且還具有抗結(jié)冰/霜等特性,因此,如能將超疏水表面技術(shù)應用于金屬材料,實現(xiàn)金屬表面抗結(jié)冰霜功能,對相關應用領域具有重要的實際價值。由于抗冰霜的關鍵是抑制初始冰晶和霜晶的形成,本質(zhì)是抑制露滴的形核或促進已形成液滴的快速脫落；已有研究發(fā)現(xiàn),微納復合結(jié)構(gòu)陣列超疏水表面更易形成Cassie態(tài)的水滴,但到底何種結(jié)構(gòu)對水滴脫落最為有利目前尚不清楚,因此,開展金屬表面微納結(jié)構(gòu)陣列的可控構(gòu)建,并對不同結(jié)構(gòu)表面的潤濕和冷凝特性進行深入研究,對促進金屬表面抗凝露、結(jié)冰／霜功能的實現(xiàn)具有重要作用。在已有的研究基礎上,本文重點開展了以下研究：采用氨水浸泡法,構(gòu)建了“草”狀、“鳥巢”狀、“菜花”狀和空洞迷宮狀微結(jié)構(gòu),氟化后四種結(jié)構(gòu)對宏觀靜態(tài)水滴接觸角均達超疏水態(tài)。其中,“鳥巢”狀和“菜花”狀微結(jié)構(gòu)的水接觸角在160°以上,滾動角在5°以下。研究發(fā)現(xiàn)稀氨水的(水和無水乙醇體積比1：1)混合溶劑溶液浸泡銅箔形成結(jié)構(gòu)和組成復雜的菜花狀多晶結(jié)構(gòu),與稀氨水的水溶液浸泡銅箔形成的正交相Cu(OH)2單晶納米帶迥然不同；并且得出氨水在兩種溶液反應中的作用。利用溶液合成ZnO法,構(gòu)建了發(fā)散納米錐、規(guī)整納米棒和微米“蜂窩”結(jié)構(gòu),氟化后三種結(jié)構(gòu)均達低黏附超疏水態(tài)；其中,高度規(guī)整納米棒結(jié)構(gòu)的接觸角165.3°和滾動角1.6°,具有優(yōu)異的疏水特性。結(jié)合稀氨水浸泡法構(gòu)建的四種結(jié)構(gòu),發(fā)現(xiàn)高度規(guī)整納米棒結(jié)構(gòu)具有最好的宏觀疏水性能。此外,利用Zn(NO3)2·6H2O和KOH配制的[Zn(OH)4]2-水溶液35℃下實現(xiàn)了銅基底上規(guī)整ZnO納米棒/錐陣列的生長,首次近室溫條件下惰性基底上實現(xiàn)一維ZnO納米結(jié)構(gòu)陣列的生長,突破了溶液合成一維ZnO納米結(jié)構(gòu)陣列的生長技術(shù),并揭示了可能的生長機制。微加工多種微米級和亞毫米級粗糙結(jié)構(gòu),并與高度規(guī)整納米棒復合,構(gòu)建出多種分級復合結(jié)構(gòu)。氟化后,發(fā)現(xiàn)微米網(wǎng)格、微米溝槽和微米柱分別與規(guī)整納米棒復合的微納分級結(jié)構(gòu)水接觸角均在160°以上,滾動角約1。,較單一納米棒結(jié)構(gòu)的水滾動角下降明顯(下降率近40%)；亞毫米棘齒和亞毫米四棱錐與納米棒復合的水接觸角雖然160°左右,但滾動角卻遠大于單一納米棒結(jié)構(gòu)的。研究發(fā)現(xiàn)對于宏觀疏水特性,納米級粗糙結(jié)構(gòu)對表面粗糙度起主導作用,影響水接觸角大�。晃⒚准壌植诮Y(jié)構(gòu)增加了表面捕獲空氣的能力,促進了Cassie態(tài)接觸,從而影響水滴滾動角大小。分別對12種典型結(jié)構(gòu)超疏水表面進行冷凝試驗,觀察和分析其冷凝行為,結(jié)果顯不：(1)單一結(jié)構(gòu)超疏水表面,高度規(guī)整納米棒結(jié)構(gòu)冷凝性能最好,冷凝30mmin表面水滴覆蓋率和水滴滯留質(zhì)量面密度分別為親水銅箔的10.0%和16.6%;復合結(jié)構(gòu)超疏水表面,(600#-1200#)微米網(wǎng)格-納米棒的冷凝性能最好,冷凝30min表面水滴覆蓋率和水滴滯留質(zhì)量面密度分別為親水銅箔的7.8%和10.4%；“蜂窩”狀結(jié)構(gòu)超疏水鋁片在水蒸氣凝結(jié)條件下不再具有超疏水性。(2)除“蜂窩”狀外,其余11種結(jié)構(gòu)的超疏水表面冷凝性能均明顯優(yōu)于普通親水銅箔和鋁片。研究發(fā)現(xiàn)影響冷凝性能的主要因素是納米結(jié)構(gòu),只有不大于冷凝微滴脫落平均尺寸的微米結(jié)構(gòu)才能對冷凝性能起增強作用。(3)微滴自遷移現(xiàn)象的存在與否可成為判定超疏水表面在冷凝條件下能否保持穩(wěn)定超疏水性(保持Cassie態(tài)接觸)的判據(jù)：微滴自遷移的動力來源于微滴相互合并所釋放的富余表面能轉(zhuǎn)化的動能；微滴能否發(fā)生自遷移現(xiàn)象,最主要的決定因素是超疏水表面的微觀結(jié)構(gòu),尤其是納米結(jié)構(gòu)。
[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 擄 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 .

【學位授予單位】：東南大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2015
【分類號】：TG174.4
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本文編號：1539918