铝合金基体超疏水表面抗冰特性研究

【摘要】：自然界中的结冰现象作为一种美丽的自然景观,既会给人们带来视觉上的享受,也会给人们的生活生产造成不便,甚至灾难。超疏水材料凭借其独特的表面润湿性,在抗结冰方面有巨大的应用前景,是近年来的研究热点。本文采用简单的化学刻蚀/低表面能物质修饰的方法在铝合金基体上制备了超疏水表面,并通过自行开发和设计的设备、软件对超疏水表面及其对照样品(亲水表面和疏水表面)表面静态水滴的冻结过程、冰粒形态、冰粒表面结霜过程以及冰层垂直结合强度等进行了详细研究,主要研究内容和结果如下:(1)制备了铝合金超疏水表面及对照样品亲水表面和疏水表面。超疏水表面接触角高达164.6°,滚动角为4°,疏水表面和亲水表面的接触角分别为116.5°和57.1°,接触角滞后分别为45°和20°。表面形貌分析证明,超疏水表面布满了凹凸不平的粗糙结构,而疏水表面和亲水表面相对光滑。超疏水表面具有优异的稳定性,放置在室温(25℃)环境下30天和在乙醇溶液中超声45min,接触角和滚动角变化都不大。(2)研究了不同冷面温度条件下静态水滴的冻结过程。结果发现,水滴在冷表面的冻结可以分为两个过程,即均相降温过程和异相结冰过程,这两个过程分别用均相降温时间(简记为tc)、异相结冰时间(简记为tf)/异相结冰速率(Vj)进行表征。对于均相降温过程,与疏水表面和亲水表面相比,在相对较高的冷面温度(-9℃、-14℃、-19℃)下,超疏水表面具有优异的抗静态水结冰的能力(较大的tc值);当冷面温度进一步降低(-24℃、-29℃),超疏水表面抗静态水滴冻结能力优势丧失(此时,不同润湿性样品表面tc值无显著差别)。对于异相结冰过程,与疏水表面和亲水表面相比,在所测试冷面温度范围内(-9℃~-29℃),超疏水表面异相结冰时间tf最长,平均异相结冰速率Vj最慢。(3)研究了水滴结冰后形成的冰粒形貌和冰粒表面进一步的结霜过程。结果发现,在相同的冷壁面温度条件下,超疏水表面形成的冰粒顶部曲率最大,疏水表面形成冰粒顶部曲率半径居中,亲水表面最小。较大的顶部曲率有利于空气中水分的凝结,从而加快结霜。结果表明,在相同的冷壁面温度(如-19℃)下,超疏水表面冰粒表面结霜速率最快,疏水表面冰粒居中,亲水表面冰粒最慢。冷壁面温度也将影响结霜速率,随着冷壁面温度下降(从-14℃降至-19℃、-24℃),超疏水表面冰粒表面结霜速率逐渐增大。(4)利用自行设计的装置,测量冰层垂直结合强度。在冷壁面温度为-9℃、-14℃条件下,测得超疏水表面冰层结合强度最小,亲水表面最大,疏水表面居中,说明超疏水表面具有优异的抗冰粘结性能。而在冷壁面温度为-19℃条件下,超疏水表面的冰层结合强度大于疏水表面冰垂直粘着强度,但仍小于亲水表面冰层结合强度,说明超疏水表面在此温度下抗冰粘结性能变差。
【关键词】：超疏水 水滴冻结 结霜 冰层垂直结合强度
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：TG174.4