超疏水表面抗结冰及抗冷凝性能研究

摘要

超疏水表面在抗结冰和抗冷凝方面的潜在应用引起了人们的广泛关注。然而在环境湿度较高、基底温度较低的情况下，冷凝水滴就会浸入到微-纳结构间隙中，将窝藏在其中的空气挤出形成Wenzel状态。众所周知，Cassie状态的水滴很容易从超疏水表面滚落。因此制备出冷凝水滴在其上呈稳定Cassie状态的超疏水表面，是实现超疏水表面抗结冰的关键。我们以前报道过冷凝水滴在具有高“宽纵比”纳米结构的超疏水表面能够形成Cassie状态，并且发生融合自迁移现象。 本研究首先通过化学刻蚀在铜基底上构建出纳米片上有、无微米花的结构表面，随后氟化处理得到超疏水表面。使用接触角测试仪和光学显微镜等仪器，观察冷凝水滴在上述两种结构表面的超疏水稳定性和自迁移现象。结果表明，无微米花结构的超疏水表面具有更好的超疏水稳定性和明显的自迁移现象。微米花的存在，阻碍了冷凝水滴Cassie状态的生成，进而阻碍了融合自迁移。这项研究对设计具有防雾和抗结冰特性的超疏水表面有很大的帮助。 通过肉眼和显微镜观察了冷凝水滴在其上具有快速自迁移现象的超疏水表面在低温下（-10℃）的冷凝结冰现象。发现朝上放置的超疏水表面可以有效延迟结冰时间。超疏水表面刚开始出现一些离散的冰粒，然后由于链式结冰和水蒸气的凝华慢慢整个表面被冰霜覆盖。然而，将超疏水表面倒置进行实验，虽仍有效延迟了冰霜，但几乎没有发生链式结冰。冰晶像剑一样从亲水周边向中间延伸，缓慢覆盖整个区域。这表明，具有冷凝自迁移现象的超疏水表面具有一定的抗结冰能力，且主要又水蒸气凝华控制。过冷水滴率先成核结冰，主要由超疏水表面的微小灰尘引起。延迟结冰的关键是抑制或者阻碍初始冰晶的形成。 分别对铜和铝表面进行化学刻蚀和氟化处理，制备出具有更精细纳米结构超疏水表面。水蒸气冷凝实验结果表明，该类超疏水表面表现出明显的抗冷凝特性。主要表现在，经过一段时间的冷凝后，超疏水表面出现大量的“干燥”区域。冷凝水滴在具有亚微米矩形结构的铝超疏水表面出现了的自迁移或跳跃现象。然而在具有类珊瑚微-纳结构的铝超疏水表面上，水蒸气成核发生地缓慢、随机和稀疏。冷凝水滴在纳米柱结构的铜超疏水表面上发生连续的自迁移或跳跃现象，然而在具有精细纳米片结构的铜超疏水表面上，初期冷凝水滴发生快速自迁移，但随着时间的延长，自迁移频率变慢，最后甚至停止自迁移或跳跃。具有精细纳米结构的超疏水表面具有更大的冷凝成核能垒是其抗冷凝的主要原因。这项研究有助于制备出可以应用在抗结冰、防雾、湿度控制等领域的超疏水表面。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 引言

1．2 超疏水表面润湿性理论

1．2．1 水滴润湿理想固体表面模型

1．2．2 Wenzel模型

1．2．3 Cassie-Baxter模型

1．2．4 接触角滞后

1．3 铜、铝基底上制备超疏水表面研究现状

1．3．1 超疏水铜表面的制备

1．3．2 超疏水铝表面的制备

1．4 超疏水表面冷凝自迁移现象及抗冷凝研究现状

1．5 超疏水表面抗结冰／结霜的研究现状

1．6 立题依据和研究内容

1．6．1 立题依据

1．6．2 研究内容

第二章 超疏水表面上冷凝水滴自迁移和抗结冰：微米花的负面影响

2．1 引言

2．2 实验部分

2．2．1 试剂与仪器

2．2．2 超疏水表面的制备

2．2．3 测试与表征

2．2．4 冷凝自迁移实验

2．2．5 原位抗结冰实验

2．3 结果与讨论

2．3．1 超疏水铜表面的结构

2．3．2 接触角测试及稳定性的比较

2．3．3 两种超疏水表面的冷凝自迁移

2．3．4 两种超疏水表面的抗结冰

2．4 本章小结

第三章 超疏水表面抗(或延迟)结冰／结霜机理研究

3．1 引言

3．2 实验部分

3．2．1 试剂与仪器

3．2．2 超疏水铜表面制备的具体方法

3．2．3 测试与表征

3．2．4 原位结冰／结霜实验

3．3 结果与讨论

3．3．1 超疏水表面的结构

3．3．2 灰尘致使过冷水滴成核

3．3．3 过冷水滴链式结冰和自迁移结冰

3．3．4 冰粒凝华长大

3．4 结论

第四章 超疏水表面抗冷凝研究

4．1 引言

4．2 实验部分

4．2．1 试剂与仪器

4．2．2 抗冷凝超疏水表面的制备

4．2．3 测试与表征

4．2．4 冷凝自迁移实验

4．3 结果与讨论

4．3．1 超疏水铜表面的形貌

4．3．2 结构影响冷凝水滴的自迁移

4．3．3 超疏水铝表面的形貌

4．3．4 超疏水铝表面冷凝实验

4．4 抗冷凝机理分析

4．5 本章小结

第五章 结论与展望

参考文献

攻读硕士期间所发表和拟投的论文

致谢