超疏水铝箔的可控制备及抗凝露抗结霜性能研究

摘要

铝箔由于具有良好的导热、导电性能而被广泛应用于换热器以及各种电器中，然而水蒸汽在其表面冷凝所形成的露滴和霜晶会产生很高的热阻，极大的降低换热器的换热效率，从而浪费了巨大的能源。据报道具有特殊微纳结构的超疏水表面是抑制甚至消除凝露和结霜的一种有效方法。尽管目前已有大量的实验报道制备了具有超疏水性能的铝表面，但是由于水仍可浸润到铝材表面微纳结构的间隙导致其并不具备抗凝露和抗结霜的性能。本文采用简单廉价的一步变电压电化学阳极氧化法，以磷酸为电解液成功地在铝材表面构筑了氧化铝纳米孔与纳米突起复合阵列结构，研究表明该结构经低表面能物质修饰后具有完美的超疏水性能，与水滴具有极低的粘附力，凝露过程中形成的水滴可迅速与表面脱离，并且可以大大推迟结霜的时间。具体研究内容如下:
　　 1.铝箔表面纳米阵列结构可控制备。采用一步变电压电化学阳极氧化法在铝箔表面构筑氧化铝纳米孔与纳米突起复合阵列结构。通过研究反应过程中各试验参数（预处理条件、电解液浓度、反应起始电压、电解液温度、氧化时间、电极之间距离和升压速率）对样品表面形貌和性能的影响，探讨了铝材表面纳米复合阵列结构的形成机理，实现了铝表面超疏水纳米结构的低成本、大面积可控制备。
　　 2.超疏水铝箔抗凝露性能测试。经低表面能物质FAS修饰的氧化铝纳米孔与纳米突起复合阵列结构具有稳定的非粘性超疏水性能，其静态接触角大于160°，滚动角接近于0°，粘附力在6μN左右，在雨滴撞击甚至更为苛刻的条件下仍能保持很好的稳定性。在低温高湿度的条件下，通过与普通铝箔和疏水铝箔的抗凝露性能对比测试，发现该样品表面形成的水滴在从表面弹离、滚落的过程中可带走其他大量的水滴，使样品表面保持干燥。
　　 3.超疏水铝箔抗结冰抗结霜性能测试。模拟自然结冰/结霜条件分别采用普通铝箔和疏水铝箔、超疏水铝箔进行对比试验，结果表明:相同条件下，超疏水铝箔表面结冰/结霜出现的最晚;增加外界扰动后，各表面的开始结冰的时间明显提前。相同温度相同结冰/结霜时间时，超疏水铝箔表面的结冰/结霜量最少，说明超疏水表面有一定的抗结冰抗结霜效果;不同温度相同结冰/结霜时间时，超疏水铝箔表面的结冰/结霜量也不相同，温度越低，其表面的结冰/结霜量越多，表明随温度降低，超疏水铝箔的抗结冰抗结霜效果下降。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 超疏水表面抗凝露抗结霜研究进展

1．1．1 超疏水表面的基本理论——表面浸润性调控原理

1．1．2 仿荷叶超疏水表面抗凝露抗结霜研究

1．1．3 新型仿生表面抗凝露抗结霜研究现状

1．2 超疏水铝材表面的制备技术

1．2．1 复合涂层法

1．2．2 喷砂处理法

1．2．3 等离子体刻蚀法

1．2．4 溶胶凝胶法

1．2．5 化学腐蚀法

1．2．6 热氧化法

1．2．7 阳极氧化法

1．2．8 一步浸泡法

1．2．9 其他方法

1．3 立体思想及研究内容

2 铝材表面纳米突起阵列结构的可控制备及机理研究

2．1 前言

2．2 实验部分

2．2．1 实验试剂与设备

2．2．2 实验步骤

2．2．1 铝箔预处理过程

2．2．2 铝箔表面的预图案化

2．2．3 氧化铝纳米孔与纳米突起阵列结构制备

2．2．4 样品表面氟硅烷修饰

2．2．5 氧化铝多孔阵列结构的表征

2．3 结果与讨论

2．3．1 样品表面性质

2．3．3 粘附力测试

2．4 实验条件对样品表面形貌及性能的影响

2．4．1 电解液浓度的影响

2．4．2 起始反应电压的影响

2．4．3 电流升到1．0A后继续氧化时间的影响

2．4．4 反应温度的影响

2．4．5 两电极之间距离的影响

2．4．6 升压速率的影响

2．5 反应机理研究

2．5．1 反应过程中电流升到1．0A前的分析

2．5．2 电流升到1．0A后分别保持0s、50s、100s、150s、200s、300s

2．6 小结

3 超疏水铝箔表面抗凝露性能研究

3．1 前言

3．2 实验部分

3．2．1 实验试剂和仪器

3．2．2 样品制备

3．2．3 样品表面疏水化处理

3．2．4 样品性能表征

3．2．5 露点近似计算

3．2．6 抗凝露实验过程

3．3 结果与讨论

3．3．1 表面形貌与非粘性表征

3．3．2 撞击稳定性测试

3．3．3 抗凝露性能测试

3．4 小结

4 超疏水铝箔表面抗结冰抗结霜性能研究

4．1 实验部分

4．1．1 实验仪器

4．1．2 试验用样品

4．1．3 样品表面抗结冰性能研究

4．1．4 样品表面抗结霜性能研究

4．2 结果与讨论

4．2．1 超疏水铝表面、疏水铝表面和普通铝表面的结冰情况

4．2．2 超疏水铝表面、疏水铝表面和普通铝表面的结霜情况

4．3 小结

5 总结与展望

致谢

参考文献

附录