【摘要】：鋁及其合金因其優(yōu)良的物化性能廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)和人們的日常生活中,然而,鋁合金在惡劣氣象環(huán)境中表面極易產(chǎn)生覆冰等問題,從而影響其正常功能的發(fā)揮,因此,如何提高鋁及其合金防結(jié)冰能力具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。結(jié)冰主要包括沉積結(jié)冰和過冷水滴結(jié)冰,假若過冷水滴或冰雪從開始就不能在低溫的機(jī)體表面上粘附,那么它就無法與機(jī)體表面進(jìn)行熱傳導(dǎo),也無法自結(jié)晶成冰滴,更不能和周圍的冰滴再結(jié)晶生長成冰塊。如果能制造一種表面能低的不粘水滴(即超疏水)的鋁合金表面是防冰最直觀、直接和有效的途徑。自然界中許多生物材料具備超疏水、低粘附、防凍粘等特性,可為工程部件常用材料鋁合金主動防冰、提供重要的仿生學(xué)啟示和技術(shù)新路徑。本文基于生物超疏水、低粘附功能原理,運(yùn)用多因素仿生耦合設(shè)計(jì)理念,開展鋁合金材料表面高效、耐久超疏水防結(jié)冰仿生設(shè)計(jì)與制備,采用電火花線切割加工技術(shù),在鋁合金表面進(jìn)行仿生幾何紋理、數(shù)學(xué)分布關(guān)系、復(fù)合結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),不經(jīng)任何化學(xué)修飾與處理,實(shí)現(xiàn)生物超疏水、低粘附、防凍粘功能在鋁合金材料表面上的仿生高效再現(xiàn),通過對制備的鋁合金樣件的表面微觀形貌、化學(xué)成分、潤濕性、防凍粘等性能進(jìn)行系統(tǒng)研究,揭示其功能、結(jié)構(gòu)、材料間的作用機(jī)理。通過對仿生模本超疏水特性及接觸時(shí)間研究,結(jié)果表明,荷葉、葦葉、三葉草和美人蕉葉子都展現(xiàn)了優(yōu)異的超疏水性能,但接觸角、滾動角有一定差異;水滴在荷葉、葦葉和三葉草表面,都經(jīng)歷了接觸、擴(kuò)散、收縮、回彈過程,接觸時(shí)間分別為12.7ms、14.7ms、17.3ms;水滴在美人蕉表面,只經(jīng)歷了接觸、擴(kuò)散、收縮過程,沒有發(fā)生回彈,接觸時(shí)間接近無窮大。荷葉、葦葉、三葉草和美人蕉的表面化學(xué)成分基本相似,其表面的微結(jié)構(gòu)導(dǎo)致表面接觸角、接觸時(shí)間不同,由此得知,仿生模本表面微結(jié)構(gòu)是影響表面疏水性及接觸時(shí)間的重要因素。通過對仿生超疏水表面疏水特性進(jìn)行研究,結(jié)果表明,采用電火花線切割技術(shù)制備的鋁合金仿生表面展現(xiàn)出良好的超疏水性能,其接觸角為150°~160°,滾動角度小于10°;仿生樣件表面結(jié)構(gòu)具有明顯的分級結(jié)構(gòu),一級結(jié)構(gòu)為微米級的陣列凸包結(jié)構(gòu),二級結(jié)構(gòu)為納米粒子(直徑10nm-800nm),一級微米結(jié)構(gòu)和二級納米結(jié)構(gòu)共同組成微納復(fù)合結(jié)構(gòu),該微納復(fù)合結(jié)構(gòu)是樣件呈現(xiàn)超疏水的主要原因。通過試驗(yàn)優(yōu)化設(shè)計(jì)分析,表面微結(jié)構(gòu)參數(shù)對接觸角和接觸時(shí)間影響主次順序?yàn)?凸包高度H凸包間距S凸包邊長L,疏水性最強(qiáng)的最優(yōu)微結(jié)構(gòu)組合為:L(180μm),S(250μm),H(200μm),接觸時(shí)間最少的最優(yōu)微結(jié)構(gòu)組合為:L(180μm),S(300μm),H(400μm)。通過對仿生超疏水表面防凍粘特性研究,結(jié)果表明,水滴在仿生樣件表面結(jié)冰呈球狀,而在空白樣件表面結(jié)冰呈鋪展?fàn)顟B(tài);經(jīng)過結(jié)冰和除冰循環(huán)試驗(yàn)后,仿生樣件表面的結(jié)冰行為仍與之前完全相同,樣件表面微結(jié)構(gòu)未被破壞,表現(xiàn)出了良好的疏水穩(wěn)定性。對于防凍粘表面而言,水滴在其表面結(jié)冰的時(shí)間越延遲越好,表面微結(jié)構(gòu)和水滴體積是影響水滴結(jié)冰時(shí)間的主要因素;制備的仿生超疏水樣件表面不僅能大幅度降低冰與基板的粘附強(qiáng)度,還能減少覆冰的集聚,具有良好的防凍粘能力。
【學(xué)位授予單位】：吉林大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：TG174.4
【圖文】：

(a) (b)(c)芋頭葉表面 (d)(e)(f) 美人蕉葉表面 (g)(h)(i) 水稻葉表面圖1.1 植物葉片表面的超疏水功能特性 (a) 蠟蟬翅表面 (b) 蝗蟲翅表面 c) 胡蜂翅表面 (d) 虻翅表面圖1.2 昆蟲翅膀表面的超疏水功能特性1.3 超疏水表面的液滴浸潤性與碰撞行為1.3.1超疏水表面的液滴浸潤性1.3.1.1表面潤濕性潤濕性是指一種液體在一種固體表面鋪展的能力或傾向性。它是固體表面一個(gè)重要的特征[30]。從宏觀角度看，潤濕是一種流體從固體表面置換另一種流體的過程；從微觀上來說，潤濕固體的流體，在置換原來的固體表面上的流體后，本身還與固體表面存在分子水平上的接觸。水置換空氣而在玻璃表面展開就是生

(a) 蠟蟬翅表面 (b) 蝗蟲翅表面 c) 胡蜂翅表面 (d) 虻翅表面圖1.2 昆蟲翅膀表面的超疏水功能特性1.3 超疏水表面的液滴浸潤性與碰撞行為1.3.1超疏水表面的液滴浸潤性1.3.1.1表面潤濕性潤濕性是指一種液體在一種固體表面鋪展的能力或傾向性。它是固體表面一個(gè)重要的特征[30]。從宏觀角度看，潤濕是一種流體從固體表面置換另一種流體的過程；從微觀上來說，潤濕固體的流體，在置換原來的固體表面上的流體后，本身還與固體表面存在分子水平上的接觸。水置換空氣而在玻璃表面展開就是生

表面的疏水性越差。通常我們把水滴在固體表面的穩(wěn)0°，滾動角小于 10°的表面稱為超疏水表面[26,30,32,34]。 觸角 -液-氣三相接觸點(diǎn)處引液-氣界面的切線，該切線與固-液界面切線之間的夾角稱為接觸角，簡稱 CA，一般用 θ 表示(圖 1.3)和 γlg分別表示固/氣、固/液、液/氣界面的界面張力[35,36]。從力-液-氣三相接觸中各表面張力平衡時(shí)的狀態(tài)決定了接觸角的大衡原理，任何系統(tǒng)的總能量總是向最小態(tài)遷移的，所以材料表總是處在穩(wěn)態(tài)或亞穩(wěn)態(tài)[37,38]。接觸角是衡量液體對固體材料的數(shù)。接觸角的值越大，則液體越難浸潤這種材料；反之，該材就越好。以水為接觸液體，當(dāng)水滴與親水固體表面接觸時(shí)，則 C體表面接觸時(shí)，CA>90°。特別地，超疏水表面的接觸角為 C表面上基本呈現(xiàn)球狀，使得其很難浸入表面[39]。

【參考文獻(xiàn)】

相關(guān)期刊論文 前3條

1 李清英;白天;朱春玲;;飛機(jī)機(jī)械除冰系統(tǒng)的研究綜述[J];飛機(jī)設(shè)計(jì);2015年04期

2 易賢;王開春;馬洪林;朱國林;;大型風(fēng)力機(jī)結(jié)冰過程水滴收集率三維計(jì)算[J];空氣動力學(xué)學(xué)報(bào);2013年06期

3 劉達(dá)經(jīng);黃s

本文編號：2771814