在生物樣件表面的微觀結(jié)構(gòu)和化學(xué)元素組成的共同作用下,生物體表面具有了超疏水性質(zhì)。隨著對超疏水表面的深入研究,研究人員發(fā)現(xiàn)其可以延遲樣件表面結(jié)冰。受此啟發(fā),我們成功的利用仿生學(xué)原理和高速線切割加工方法制備了具有防結(jié)冰性能的超疏水表面。在這個(gè)過程中,我們主要完成了以下幾項(xiàng)工作。通過對比分析荷葉、葦葉、三葉草和美人蕉葉片四種生物樣件表面靜止液滴在樣件表面的接觸角和滾動(dòng)角以及運(yùn)動(dòng)液滴在樣件表面的接觸時(shí)間,我們選取了荷葉和三葉草作為制備具有防結(jié)冰性能的超疏水表面的生物樣本。受三葉草表面的超疏水性的啟發(fā),我們在7075Al表面通過高速線切割機(jī)床二次放電加工方法制備了粗糙表面。在不經(jīng)過化學(xué)處理的基礎(chǔ)上,通過這種方法制備的表面具有超疏水性和防結(jié)冰性能。此外,為驗(yàn)證樣件表面防結(jié)冰性能的耐久性,我們對空白樣件表面,化學(xué)改性樣件表面,和二次放電加工樣件表面進(jìn)行了摩擦磨損實(shí)驗(yàn)。液滴在二次放電加工樣件表面的摩擦磨損實(shí)驗(yàn)前后的結(jié)冰時(shí)間分別為177s和157s,液滴在空白樣件表面的摩擦磨損實(shí)驗(yàn)前后的結(jié)冰時(shí)間分別為110s和108s,液滴在化學(xué)改性樣件表面的摩擦磨損實(shí)驗(yàn)前后的結(jié)冰時(shí)間分別為173s和130s。相關(guān)研究證明利用二次放電加工方法制備的超疏水表面的防結(jié)冰性能不僅能夠抵抗一定的機(jī)械強(qiáng)度,而且能夠在室溫環(huán)境下很長一段時(shí)間能保證防結(jié)冰性能不喪失,具有時(shí)間尺度上的耐久性。我們成功的利用一種環(huán)境友好,價(jià)格低廉,高效的二次放電加工方法制備了具有耐久的防結(jié)冰性能的超疏水表面。根據(jù)具有超疏水性的荷葉表面的微觀結(jié)構(gòu),我們利用高速線切割方法制備了具有防結(jié)冰性能的超疏水表面結(jié)構(gòu)。冰滴在空白樣件和荷葉仿生樣件表面的形狀為鋪展?fàn)詈颓驙�。荷葉仿生樣件表面具有結(jié)冰延遲功能,且結(jié)冰延遲功能隨著液滴的體積的增加而增大。冰滴在空白樣件表面和荷葉仿生樣件表面的粘附強(qiáng)度分別為587±10KPa和168±8KPa,荷葉仿生樣件表面可以減小粘附強(qiáng)度。基于VOF和凝固融化模型,通過Fluent 15.0模擬靜止液滴在空白樣件表面和不同溫度的仿生樣件表面的靜態(tài)結(jié)冰過程,結(jié)果表明液滴的結(jié)冰時(shí)間隨表面溫度的變化規(guī)律呈現(xiàn)指數(shù)分布。此外,結(jié)合實(shí)驗(yàn)和模擬兩種手段,我們分析了運(yùn)動(dòng)液滴撞擊水平低溫表面的過程,結(jié)果表眀,相較于空白樣件表面,液滴在荷葉仿生樣件表面的鋪展直徑較小和接觸時(shí)間較短。從靜止液滴和運(yùn)動(dòng)液滴兩個(gè)角度證實(shí)了所制備的荷葉仿生樣件表面具有防結(jié)冰性能。考慮到荷葉仿生樣件表面的實(shí)際應(yīng)用,我們基于VOF模型模擬了液滴撞擊30°,45°,60°樣件表面的過程。傾斜樣件表面上液滴的接觸時(shí)間均小于10ms,且鋪展直徑更小,進(jìn)一步強(qiáng)化了樣件表面的防結(jié)冰性能。仿生荷葉結(jié)構(gòu)具有優(yōu)良的防結(jié)冰性能和超疏水性。在本篇文章中,我們基于荷葉和三葉草兩種生物樣件表面的微觀結(jié)構(gòu)成功制備了具有防結(jié)冰性能的超疏水表面。兩種仿生結(jié)構(gòu)的制備方法簡單,效率較高,且由于不需要進(jìn)行化學(xué)處理,制備方法綠色環(huán)保,因而具有很大的推廣應(yīng)用的潛力。
【學(xué)位單位】：吉林大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位年份】：2019
【中圖分類】：Q811;TB306
【部分圖文】：

吉林大學(xué)碩士學(xué)位論文數(shù)出發(fā)對液滴的結(jié)冰特性的影響進(jìn)行分析歸納，對所制備的具有防結(jié)冰性能的超疏水表面的實(shí)際應(yīng)用進(jìn)行初步的探索。1.2 仿生學(xué)的基本思想1960 年，斯蒂爾博士把仿生學(xué)定義為，模仿生物原理來建造技術(shù)系統(tǒng)，或者使人造技術(shù)系統(tǒng)具有類似于生物特征的科學(xué)(31)。在 2004 年，路甬祥院士(32)曾提出，“仿生學(xué)是研究生物系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、形狀、原理、行為以及相互作用，從而為工程技術(shù)提供新的設(shè)計(jì)思想、工作原理和系統(tǒng)構(gòu)成的技術(shù)科學(xué)。”顧名思義，仿生學(xué)主要有三部分組成，生物模本，仿生樣件，以及仿生學(xué)的設(shè)計(jì)和制造方法(33)。簡言之，就是利用仿生學(xué)的基本原理（如圖 1.1）及相關(guān)知識(shí)將生物所具有的功能轉(zhuǎn)化為為人類服務(wù)的科學(xué)技術(shù)產(chǎn)品。

第 1 章 緒論人員曾在座頭鯨的鰭狀肢邊發(fā)現(xiàn)了壘球大小的球形結(jié)節(jié)，他們可令鯨魚快速在海洋中移動(dòng)(36)。根據(jù)這種原理，為風(fēng)扇邊緣設(shè)計(jì)類似的突起結(jié)構(gòu)，令其空氣動(dòng)力學(xué)效率比標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)提升 30%左右(37)�；谶@一理論，當(dāng)在在風(fēng)力渦輪機(jī)上增加一些結(jié)節(jié)，也可大大提高渦輪機(jī)的效率(38)。

4圖 1.3 自然界的超疏水表面1.3 超疏水表面的相關(guān)理論基礎(chǔ)水的接觸角大于 150°，滾動(dòng)角小于 10°的表面被定義為超疏水表面(56-61)。如之前提到的，超疏水表面具有自清潔能力，耐腐蝕性和防結(jié)冰性能等優(yōu)良性能，如果能夠?qū)⒊杷砻嫱茝V應(yīng)用，將會(huì)給我們現(xiàn)有的生活帶來巨大的變化。因而，理解表面的潤濕性的相關(guān)機(jī)理至關(guān)重要。該部分我們將主要介紹固體表面的潤濕過程，以及固體表面的接觸角模型對超疏水表面的相關(guān)理論進(jìn)行簡單敘述。1.3.1 潤濕過程在固-液接觸的過程中，潤濕形態(tài)可以分為沾濕，浸濕和鋪展三種狀態(tài)(62)。
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本文編號(hào)：2873519