通过改变浸润性提高固体表面抗结冰性能

摘要

冰霜在自然界可以成为一道美丽的风景,但同时也给人们的生产和生活带来了诸多不便。在一些关系到国家安全的重要领域,如电力输送、通信网络、航空、航海以及高铁运输等,都会出现不同程度的结冰,给国家经济健康稳定地运行带来重大隐患。因此,材料表面抗结冰研究日益引起人们的重视。目前研究较多的是制备抗结冰涂料,而近些年研究发现有些超疏水表面能抗结冰,有些则不能,但要视具体表面结构和结冰环境而定。本文制备了具有不同浸润性的表面,并测试了表面上的抗结冰性能。
　　 本研究首先从载玻片开始,研究了载玻片表面疏水改性前后的抗结冰性能,发现疏水改性后载玻片更耐结冰。进一步以不锈钢为基底,通过酸蚀刻和氟化处理制备了亲水、高度亲水、疏水、高度疏水的表面,通过测试结冰时间和结冰量以及冰在表面的附着力,研究了它们的抗结冰性能,发现高度疏水的表面有更加优异的抗结冰性能。最后用湿法氧化和氟化处理制得了具有两种不同纳米结构(纳米片和纳米针)的超疏水铜表面,研究了其抗结冰性能。文中讨论了相对湿度和基底温度对基底抗结冰性能的影响,发现相对湿度越高结冰量越大,基底温度越低结冰时间越短。冷凝水滴会在具有纳米针状结构的超疏水铜表面上快速自迁移,并以过冷水的形式存在,故能延迟结冰。超疏水表面最终结冰是从基底周边向中心缓慢推进,分析认为这是由于热力学相变驱动力的作用。最后通过12次重复结冰-融冰实验之后观察材料表面的形貌,发现表面并没有遭到明显的破坏。整体上,超疏水表面具有不错的抗结冰性能。