金属表面微纳结构阵列的可控构建及其冷凝特性研究

摘要

低温高湿环境下金属表面的凝露、结冰/霜现象普遍存在，给航空航天、空调热泵、低温储存等领域相关设备的稳定运行带来了安全隐患，如何有效地防护金属表面的冷凝和结冰/霜已成为一个亟待解决的问题。低黏附超疏水表面不但具有自清洁、耐腐蚀等特点，而且还具有抗结冰/霜等特性，因此，如能将超疏水表面技术应用于金属材料，实现金属表面抗结冰霜功能，对相关应用领域具有重要的实际价值。由于抗冰霜的关键是抑制初始冰晶和霜晶的形成，本质是抑制露滴的形核或促进已形成液滴的快速脱落;已有研究发现，微纳复合结构阵列超疏水表面更易形成Cassie态的水滴，但到底何种结构对水滴脱落最为有利目前尚不清楚，因此，开展金属表面微纳结构阵列的可控构建，并对不同结构表面的润湿和冷凝特性进行深入研究，对促进金属表面抗凝露、结冰/霜功能的实现具有重要作用。在已有的研究基础上，本文重点开展了以下研究:
　　采用氨水浸泡法，构建了“草”状、“鸟巢”状、“菜花”状和空洞迷宫状微结构，氟化后四种结构对宏观静态水滴接触角均达超疏水态。其中，“鸟巢”状和“菜花”状微结构的水接触角在160°以上，滚动角在5°以下。研究发现稀氨水的(水和无水乙醇体积比1∶1)混合溶剂溶液浸泡铜箔形成结构和组成复杂的菜花状多晶结构，与稀氨水的水溶液浸泡铜箔形成的正交相Cu(OH)2单晶纳米带迥然不同;并且得出氨水在两种溶液反应中的作用。
　　利用溶液合成ZnO法，构建了发散纳米锥、规整纳米棒和微米“蜂窝”结构，氟化后三种结构均达低黏附超疏水态;其中，高度规整纳米棒结构的接触角165.3°和滚动角1.6°，具有优异的疏水特性。结合稀氨水浸泡法构建的四种结构，发现高度规整纳米棒结构具有最好的宏观疏水性能。此外，利用Zn(NO3)2·6H2O和KOH配制的[Zn(OH)4]2-水溶液35℃下实现了铜基底上规整ZnO纳米棒/锥阵列的生长，首次近室温条件下惰性基底上实现一维ZnO纳米结构阵列的生长，突破了溶液合成一维ZnO纳米结构阵列的生长技术，并揭示了可能的生长机制。
　　微加工多种微米级和亚毫米级粗糙结构，并与高度规整纳米棒复合，构建出多种分级复合结构。氟化后，发现微米网格、微米沟槽和微米柱分别与规整纳米棒复合的微纳分级结构水接触角均在160°以上，滚动角约1°，较单一纳米棒结构的水滚动角下降明显(下降率近40％);亚毫米棘齿和亚毫米四棱锥与纳米棒复合的水接触角虽然160°左右，但滚动角却远大于单一纳米棒结构的。研究发现对于宏观疏水特性，纳米级粗糙结构对表面粗糙度起主导作用，影响水接触角大小;微米级粗糙结构增加了表面捕获空气的能力，促进了Cassie态接触，从而影响水滴滚动角大小。
　　分别对12种典型结构超疏水表面进行冷凝试验，观察和分析其冷凝行为，结果显示:
　　(1)单一结构超疏水表面，高度规整纳米棒结构冷凝性能最好，冷凝30min表面水滴覆盖率和水滴滞留质量面密度分别为亲水铜箔的10.0％和16.6％;复合结构超疏水表面，(600#-1200#)微米网格-纳米棒的冷凝性能最好，冷凝30min表面水滴覆盖率和水滴滞留质量面密度分别为亲水铜箔的7.8％和10.4％;“蜂窝”状结构超疏水铝片在水蒸气凝结条件下不再具有超疏水性。
　　(2)除“蜂窝”状外，其余11种结构的超疏水表面冷凝性能均明显优于普通亲水铜箔和铝片。研究发现影响冷凝性能的主要因素是纳米结构，只有不大于冷凝微滴脱落平均尺寸的微米结构才能对冷凝性能起增强作用。
　　(3)微滴自迁移现象的存在与否可成为判定超疏水表面在冷凝条件下能否保持稳定超疏水性(保持Cassie态接触)的判据;微滴自迁移的动力来源于微滴相互合并所释放的富余表面能转化的动能;微滴能否发生自迁移现象，最主要的决定因素是超疏水表面的微观结构，尤其是纳米结构。

目录

摘要

第一章 绪论

1．1 引言

1．2 固体表面润湿理论

1．2．1 静态润湿理论

1．2．2 动态润湿理论

1．3 超疏水表面从天然到人工的认知

1．4 超疏水表面的制备技术及方法

1．4．1 光刻技术

1．4．2 等离子体技术

1．4．3 表面氧化法

1．4．4 化学刻蚀法

1．4．5 电化学沉积法

1．4．6 有机溶液浸泡法

1．4．7 其他方法

1．5 低黏附超疏水表面的潜在应用

1．5．1 提高冷凝传热

1．5．2 低温抗冰霜

1．5．3 微流系统

1．5．4 腐蚀防护

1．6 研究意义及研究内容

1．6．1 研究意义

1．6．2 研究内容

参考文献

第二章 工艺路线与研究方法

2．1 工艺路线

2．2 试验材料与仪器

2．2．1 试验材料

2．2．2 试验仪器

2．3 微米结构阵列的可控构建

2．3．1 机械加工微米结构阵列

2．3．2 光刻技术结合ICP刻蚀法构建微米结构阵列

2．4 纳米结构阵列的可控构建

2．4．1 氨水溶液浸泡法可控构建纳米结构阵列

2．4．2 溶液合成ZnO法构建纳米结构阵列

2．5 微-纳复合结构阵列的构建

2．6 表面特性的表征与测试

2．6．1 形貌、成分及物相表征

2．6．2 润湿特性测试

2．6．3 冷凝特性测试

参考文献

第三章 氨水浸泡法可控构建纳米结构阵列及其润湿性能

3．1 引言

3．2 氨水浸泡法构建铜箔表面纳米结构阵列及其润湿特性

3．2．1 试验内容

3．2．2 结果与讨论

3．2．3 表面润湿性和黏附性

3．3 氨水浸泡法构建铝片表面纳米结构阵列及其润湿特性

3．3．1 试验内容

3．3．2 结果与讨论

3．4 本章小结

参考文献

第四章 溶液合成ZnO法构建纳米结构阵列及其润湿性能

4．1 引言

4．2 铜箔表面构建ZnO纳米棒／锥结构及其润湿特性

4．2．1 试验内容

4．2．2 结果与讨论

4．2．3 表面润湿性和黏附性研究

4．3 ZnO生长液在铝片表面构建纳米结构阵列及其润湿特性

4．3．1 试验内容

4．3．2 结果与讨论

4．4 本章小结

参考文献

第五章 微-纳复合结构阵列的构建及其润湿性能

5．1 引言

5．2 试验内容

5．2．1 微米结构阵列的可控构建

5．2．2 微-纳复合结构阵列的构建

5．2．3 表面改性

5．3 结果与讨论

5．3．1 线切割加工微结构阵列与纳米棒的复合结构

5．3．2 砂纸定向打磨微结构阵列与纳米棒的复合结构

5．3．3 光刻结合ICP技术构建微米柱阵列与纳米棒的复合结构

5．4 本章小结

参考文献

第六章 不同结构超疏水表面的冷凝行为

6．1 引言

6．2 试验内容

6．2．1 纳米粗糙结构超疏水表面的制备

6．2．2 微纳复合粗糙结构超疏水表面的制备

6．2．3 冷凝特性测试

6．3 结果与讨论

6．3．1 铜基底单一粗糙结构表面的冷凝行为

6．3．2 铝基底单一粗糙结构表面的冷凝行为

6．3．3 不同分级复合结构表面的冷凝行为

6．3．4 低黏附超疏水表面冷凝微滴自迁移的微观机理

6．4 本章小结

参考文献

第七章 结论与展望

7．1 主要结论

7．2 创新点

7．3 展望

攻读博士学位期间主要成果

致谢