不同浸润性冷表面上水滴碰撞结冰的数值模拟

对冷水滴撞击不同表面时的动力学行为和相变过程进行了模拟。通过耦合VOF和Level-set方法追踪气液自由界面,结合焓-孔隙度相变模型,模拟水滴撞击冷表面的动力学行为及相变特征。选取亲水（接触角30°）、疏水（接触角114°）和超疏水（接触角163°）3种典型浸润性的表面,计算了多种壁温条件下的水滴撞击结冰过程。结果表明提高表面疏水性,将减小水滴与冷表面的接触时间和接触面积,降低水滴内的相变速率,延缓水滴结冰的时间。在表面温度高于-15℃时,超疏水表面可以避免冷水滴的冻结黏附,保持表面洁净。将模拟得到的最大铺展直径、回缩速率以及冻结情况,与已有实验结果进行对比验证,表明了模拟方法的有效性和准确性。     

单液滴撞击超疏水冷表面的反弹及破碎行为

对直径2.8 mm的液滴撞击冷表面的动态行为进行快速可视化观测,对比研究单液滴撞击普通冷表面以及超疏水冷表面的动力学特性,同时对初始撞击速度以及冷表面温度对液滴动态演化行为的影响进行了对比分析。实验结果表明:与液滴撞击普通冷表面(温度-25~-5℃)发生瞬时冻结沉积相比,液滴撞击超疏水冷表面时均未发生冻结,而且伴随铺展、回缩、反弹以及破碎行为;撞击速度越大,普通冷表面上液滴铺展因子越大,而且液滴越易冻结。液滴低速(We≤76)撞击超疏水冷表面会发生反弹现象,但速度对液滴最大铺展时间无影响;液滴高速(We≥115)撞击超疏水冷表面后会产生明显液指,而且破碎为多组卫星液滴。此外,冷表面温度仅影响液滴反弹高度,对液滴最大铺展因子以及液滴铺展时间影响较小。结果表明超疏水表面可显著抑制液滴撞击冷表面的瞬时冻结沉积。     

单液滴撞击超疏水冷表面的反弹及破碎行为

对直径2.8 mm的液滴撞击冷表面的动态行为进行快速可视化观测，对比研究单液滴撞击普通冷表面以及超疏水冷表面的动力学特性，同时对初始撞击速度以及冷表面温度对液滴动态演化行为的影响进行了对比分析。实验结果表明：与液滴撞击普通冷表面（温度-25~-5℃）发生瞬时冻结沉积相比，液滴撞击超疏水冷表面时均未发生冻结，而且伴随铺展、回缩、反弹以及破碎行为；撞击速度越大，普通冷表面上液滴铺展因子越大，而且液滴越易冻结。液滴低速（We≤76）撞击超疏水冷表面会发生反弹现象，但速度对液滴最大铺展时间无影响；液滴高速（We≥115）撞击超疏水冷表面后会产生明显液指，而且破碎为多组卫星液滴。此外，冷表面温度仅影响液滴反弹高度，对液滴最大铺展因子以及液滴铺展时间影响较小。结果表明超疏水表面可显著抑制液滴撞击冷表面的瞬时冻结沉积。     

微模塑技术制备聚丙烯超疏水表面

超疏水界面材料因其在自清洁、抗结冰、流体减阻等方面的广阔应用前景而获得了广泛的关注。以商业化阳极氧化铝为模板,采用热压-剥离技术制备了超疏水聚丙烯薄膜。扫描电镜(SEM)图证实,所得聚丙烯(PP)表面均具有纳米草结构。接触角(CA)测试结果显示,得到的聚丙烯(PP)薄膜与水滴的接触角达到了150°。     

圆柱壁面上液滴凝固相变对其运动行为的影响

采用CLSVOF耦合焓-多孔介质方法对单液滴撞击低温光滑圆柱壁面的现象进行数值模拟研究,揭示了壁面温度、壁面浸润性和液滴撞击速度等因素对液滴撞击低温光滑圆形壁面后动力学行为及相变特性的影响,研究中主要关注两个重要参数的变化规律:液膜高度变化和液滴对壁面的润湿特性。研究表明:提高壁面疏水性能可有效减小液滴碰撞圆柱的铺展润湿面积,从而减小冻结面积,降低结冰的危害程度;由于圆柱壁面的曲率作用,液滴撞击疏水圆柱壁面会出现液膜断裂,但在极低温度下,可抑制液膜在圆形壁面上的分裂,导致液膜在壁面上的铺展面积有所增加,防结冰性能下降。     

利用分子动力学模拟研究化学刻蚀超疏水材料

介绍了一种制备超疏水表面的技术,该技术先通过硫酸刻蚀铝基底表面,然后使用硬脂酸进行低表面能处理,形成双层气垫结构,使铝基底表面具有超疏水性和抗腐蚀性能。实验结果表明,该方法可以制备出具有接触角高达151.2±1.5°和滚动角低至4.0±0.8°的超疏水表面。动力学模拟表明,硬脂酸分子的疏水端朝向水滴,亲水端朝向样品,形成一层分子膜,阻止了水分子的扩散。阻抗和极化测试结果显示,超疏水表面可以阻止腐蚀性阴离子在基体表面的扩散行为,提高金属的耐腐蚀性能。总之,该制备方法成本低、制备过程简单、制备时间短,具有实用性,有望在材料科学和工程领域广泛应用。     

圆柱壁面上液滴凝固相变对其运动行为的影响

采用CLSVOF耦合焓-多孔介质方法对单液滴撞击低温光滑圆柱壁面的现象进行数值模拟研究，揭示了壁面温度、壁面浸润性和液滴撞击速度等因素对液滴撞击低温光滑圆形壁面后动力学行为及相变特性的影响，研究中主要关注两个重要参数的变化规律：液膜高度变化和液滴对壁面的润湿特性。研究表明：提高壁面疏水性能可有效减小液滴碰撞圆柱的铺展润湿面积，从而减小冻结面积，降低结冰的危害程度；由于圆柱壁面的曲率作用，液滴撞击疏水圆柱壁面会出现液膜断裂，但在极低温度下，可抑制液膜在圆形壁面上的分裂，导致液膜在壁面上的铺展面积有所增加，防结冰性能下降。     

单液滴撞击冷板面的实验和模拟

用实验和模拟的方法研究了直径为3.2 mm的单个蒸馏水液滴与冷板面(温度低于273 K)撞击铺展和固化过程,分析了撞击高度(100、250、500 mm)、板面温度(253、268 K)、板面倾角(0°、30°和60°)对撞击过程的影响以及液滴在冷板面上冻结过程。并模拟了单个普鲁兰多糖溶液液滴在撞击高度为100 mm、板面温度为253 K的过程。结果表明,撞击高度与板面温度对液滴在水平冷板面的铺展过程起到重要作用,板面倾角会影响液滴撞击倾斜板面时的冷冻沉积。物料的黏度会影响液滴冷冻沉积时的铺展速率及铺展直径,而对于较高黏度物料,温度并不起决定作用。模拟和实验结果吻合较好,反映了液滴铺展冻结过程中的温度变化,有利于直观解释液滴发生冻结的状况。     

仿生超浸润材料在防覆冰涂层中的应用

超浸润涂层是近年来防覆冰涂层的研究热点。本文探究了仿荷叶的超疏水涂层和仿猪笼草的超光滑涂层的设计与制备方法,阐述了2种涂层在防结冰机理上的不同和性能上的差异。超疏水表面通过增大水接触角减少水滴附着,延长结冰时间,其防覆冰效果与表面粗糙尺度相关,纳米尺度级表面可以克服高湿环境易结冰的缺点;超光滑涂层通过流动、化学均一的液体润滑层抑制水和冰在表面的积聚,防结冰、疏冰性能优异。纳米级粗糙结构有利于形成稳定的液体层,减小润滑层的损失。最后展望了超浸润防覆冰涂层的研究方向。     

铜基超疏水表面防覆冰/抗霜冻特性分析

超疏水表面具有良好的防覆冰性能,有望改善低温条件下设备和设施的可靠性。本文采用氨气腐蚀法,制备具有微纳结构的铜表面,通过低表面能氟硅烷修饰后,金属铜表面表现出超疏水特性,其水接触角可达152.1°。利用电镜扫描、接触角测量、结冰和结霜实验分别对超疏水铜表面的表面结构、湿润性能和防覆冰性能进行研究。结果表明,超疏水表面的防覆冰/抗霜冻性能不仅与表面的粗糙度有关,还受液滴在固体表面的湿润状态的影响。当液滴在具有微-纳米结构的超疏水表面处于Cassie状态时,液滴与金属表面的接触面积小,液滴结冰速率较慢,金属表面同时具有较好的防覆冰和抗结霜性;而当液滴在金属疏水表面处于Wenzel状态时,霜晶与固体表面的接触面积增加,加快霜层的生长,金属表面的抗结霜性明显降低。     

炭黑/PDMS光热超疏水涂层的制备及防冰除冰性能

通过在基材表面喷涂环氧树脂作为黏合剂,然后喷涂炭黑纳米粒子、聚二甲基硅氧烷(PDMS)以及十七氟癸基三乙氧基硅烷(PFDTES)的共混液制备了一种炭黑/PDMS光热超疏水涂层.炭黑纳米粒子提供光热性能并使涂层具有微纳粗糙结构,结合PFDTES较低的表面能使涂层获得超疏水性能.制备涂层表面的水滴接触角高达161?,滚动角低至1.4?,呈现优异的超疏水性能,从而使水滴在玻璃表面结冰的时间由30 s延迟到160 s.涂层中炭黑所提供的光热转换效应使其表面的冰在太阳光照射下能迅速融化,并随自重自动脱落.此外,涂层的自清洁性能可防止表面在户外应用时遭受污染,有利于保护涂层的光热转换性能和长期光热除冰功能.     

飞机超疏水表面的防冰性能研究进展

对飞机表面超疏水材料的防冰性能最新研究进展进行了综述。首先对固体表面润湿性、超疏水性及防冰性之间的关系进行了论述,系统介绍了过冷水在超疏水表面的撞击过程。由于超疏水表面的低表面自由能及表面微纳结构,过冷水能够在撞击固体表面凝结成冰前从固体表面脱落,有效延长其结冰时间。还对超疏水表面在防冰应用中存在的问题进行了分析,指出发展具有多功能复合型超疏水表面是以后研究的重点。     

飞机超疏水表面的防冰性能研究进展

对飞机表面超疏水材料的防冰性能最新研究进展进行了综述。首先对固体表面润湿性、超疏水性及防冰性之间的关系进行了论述,系统介绍了过冷水在超疏水表面的撞击过程。由于超疏水表面的低表面自由能及表面微纳结构,过冷水能够在撞击固体表面凝结成冰前从固体表面脱落,有效延长其结冰时间。还对超疏水表面在防冰应用中存在的问题进行了分析,指出发展具有多功能复合型超疏水表面是以后研究的重点。     

聚偏氟乙烯/炭黑超疏水复合涂层的制备及其防除冰性能

风电叶片、电缆等表面结冰会严重影响风力发电机的正常运行，研究有效的防冰和除冰技术具有十分重要的应用价值。本文选用聚偏氟乙烯(PVDF)溶液和纳米炭黑颗粒，采用简单的喷涂法在陶瓷片表面制备出兼具超疏水性和光热效应的PVDF/炭黑复合涂层，其表面对水滴的接触角高达165.0°，滚动角低至4.1°。通过静态结冰和光热除冰试验发现，该涂层不仅能有效延缓水滴在陶瓷表面结冰，而且在红外光辐射下表面温度迅速升高，展现出优异的防冰和除冰性能。     

静电植绒法制备超疏水表面研究

利用静电植绒技术在纺织纤维表面构建粗糙结构,结合聚二甲基硅氧烷(PDMS)表面修饰,制备超疏水表面。利用接触角测试仪、马丁戴尔摩擦仪、扫描电镜对材料表面形貌与疏水性能进行测试与表征。结果表明,经PDMS修饰的植绒织物具有超疏水性,其与水滴的静态接触角达150°以上。利用静电植绒技术制备的超疏水表面具有良好的耐磨性,其中绒毛长度为0.6 mm时具有最佳的疏水、耐磨性能。     

疏水表面的动力学模拟研究现状

本文在简要介绍疏水表面动力学模拟理论的基础上,总结了分子动力学模拟方法在疏水表面研究的应用进展,主要概述了疏水表面接触角、疏水表面多肽自组装和疏水表面动态润湿行为三个方面的模拟进展,并对动力学模拟在疏水表面的应用进行展望。     

基于纳米二氧化硅的防冰疏水涂层的制备及性能研究

采用HTPS(端羟基聚二甲基硅氧烷)和APTES(氨基丙基三乙氧基硅烷)改性纳米SiO_2,并制备了改性纳米SiO_2/氟硅树脂-环氧树脂(M-SR)复合涂料。采用傅里叶变换红外光谱仪和扫描电镜对改性前后纳米SiO_2颗粒,以及M-SR复合涂料的结构和表面微观形貌进行了表征,并通过水接触角、水滴结冰时间和覆冰层的剪切附着强度评估了M-SR复合涂层的防覆冰效果。结果表明,经过HTPS和APTES改性后,纳米SiO_2颗粒表面的亲水基团被HTPS和APTES中低表面能的甲基取代,纳米SiO_2表面能更小,疏水性能更佳。随着改性纳米SiO_2颗粒含量的增加,M-SR复合涂层的疏水性增强,纳米SiO_2颗粒含量为50%的M-SR复合涂层综合性能最优,水接触角168.1°,水滴结冰时间279 s,覆冰剪切粘附强度小于5 kPa,是较为理想的防覆冰材料。     

耐腐蚀超疏水超亲油不锈钢网的制备及其在油水分离过程中的应用

以不锈钢网为基底,通过化学刻蚀法制备微米级粗糙表面,通过一步浸泡法将st9ber法制得的疏水亲油纳米Si O2颗粒沉积到粗糙的不锈钢网表面,制备了具有微纳二级粗糙结构的超疏水超亲油不锈钢网。利用扫描电子显微镜(SEM)、傅里叶变换红外光谱仪(FT-IR)和接触角测量仪(CA)表征了超疏水超亲油不锈钢网的表面形貌、化学组成和润湿性能,并将其用于油水分离过程中。结果表明,疏水亲油纳米Si O2颗粒成功的沉积到不锈钢网表面;水滴在超疏水超亲油不锈钢网上的接触角最大为151°,煤油的接触角为0°;制备的超疏水超亲油不锈钢网不仅能高效的分离不同种类油和水的混合物,还能高效的分离油和腐蚀性液体(强酸或强碱水溶液)的混合物,其耐腐蚀特性可满足复杂环境下的油水分离要求。     

铝基超疏水表面抗结霜特性研究

采用化学刻蚀法,在铝基的表面构建了纳米-微米混合的粗糙结构。化学刻蚀后的粗糙表面经过氟硅烷(FAS)修饰,形成了接触角大于155°的超疏水表面。在过冷环境中,利用加湿器提供微小雾滴进行了铝棒和铝片表面的结霜实验。实验过程中对比了超疏水铝表面、疏水铝表面和普通铝表面上的结霜量。结果表明,超疏水铝表面在抑制结霜方面优于普通铝表面,接触角的大小对抑制结霜也有很大影响,接触角越大抑制效果越明显,并且超疏水铝表面的疏水性能易于恢复。在现实生活中,超疏水表面对于降低输电线缆表面的覆霜积聚速率和重量有重要的意义。     

超疏水有机硅材料的制备

采用两步喷涂法制备了经疏水修饰的二氧化硅(R974)/有机硅树脂(GC-500Z)超疏水复合涂层。通过接触角测定仪和扫描电子显微镜研究了R974的含量及其喷涂时间、GC-500Z的喷涂时间对涂层最终疏水性的影响。结果表明,涂层最终的疏水性是由其表面是否形成沟壑以及所形成的沟壑中的R974的含量所决定。当表面形成比较明显的沟壑且沟壑中的R974含量比较低时,涂层表现为一种水滴无法滚动离开表面的疏水状态;如果沟壑中的R974含量比较高并没有明显的沟壑形成,则涂层表现为一种水滴非常容易滚动离开表面的超疏水状态。