超疏水表面防结冰结霜性能的研究进展

利用超疏水表面可以防止或减少金属表面结冰结霜,在制备防结冰结霜表面中得到了广泛深入地研究。超疏水表面一般是利用其自身表面的粗糙结构和低表面能来使得液滴无法在其表面长时间停留而获得超疏水性能,但是液滴在低温和大湿度以及液滴在高高度撞击超疏水表面条件下会使超疏水表面的抗结冰结霜性能明显降低。针对这种情况,综述了超疏水表面在这方面的进展来探讨提高其抗结冰结霜性能的可能途径和方法。     

铝基体超疏水表面的抗结冰结霜效果分析

增加接触角是提高表面抗结冰结霜能力的重要方法.借助电化学加工和氟化处理获得铝基体超疏水表面,该表面具有二元微纳米复合结构,干燥时水滴在其上的接触角为160°,滚动角小于5°,处于Cassie-Baxter状态.在自制的半导体制冷台上,观测冷表面温度为-5.2 ℃时,铝基体超疏水表面的结霜过程,并将其与普通铝表面进行了对比,发现铝基体超疏水表面的四周边缘处先出现霜晶并逐渐蔓延到整个表面,与普通铝表面相比具有显著的抗结冰结霜性能.最后对铝基体超疏水表面的边缘效应和抗结冰结霜机理进行了分析.     

氧化还原法制备超疏水表面及其防覆冰性能

使用化学氧化还原法制备出疏水性能优异的超疏水表面,使用接触角测量仪、扫描电镜对表面浸润性及形貌进行表征分析。制得的铝基体超疏水表面接触角高达163.31°,滚动角小于5°。探究不同反应时间对表面形貌和浸润性的影响,使用自制的结冰监测系统对制备出的超疏水表面的静态和动态水滴防覆冰性能进行探究,并结合一维传热理论和经典成核理论对实验结果进行分析。结果表明,反应80min时表面疏水效果最好,超疏水表面静态水滴延缓结冰时间约是普通样品的5倍,结冰温度也低了3.3℃,动态水滴撞击表面时,超疏水表面始终无积水和覆冰,表现出优异的静态和动态防覆冰性能。     

不同工况下超疏水表面的凝露特性研究

超疏水表面能减少液滴的附着，减少液滴存在带来的热阻增加，提高空调、发电和海水淡化的效率。本文实验研究了不同冷表面温度(2～8℃)、空气湿度(40%～80%)、倾斜角度(0°～90°)下，超疏水表面冷凝液滴的生长特性，分析不同工况对超疏水表面凝露的影响。结果表明：随着冷表面温度的降低，液滴平均半径和表面液滴覆盖率逐渐增大，冷表面温度越低，液滴生长速率越快；在不同湿度工况下，高湿度下超疏水表面液滴生长较快，但随着时间增加，低湿度下液滴生长半径将超过中高湿度，且低中湿度工况下冷表面液滴覆盖率远小于高湿度；随着倾斜角度增大，液滴临界扫掠半径逐渐减小，垂直表面相比水平表面液滴覆盖率减少42%。     

溶胶凝胶法铝基超疏水表面的制备及其防覆冰性能

利用溶胶凝胶法(Sol-Gel)在铝基体上制得超疏水表面,并用自制的基于二级制冷方式的材料样品结冰状况实时采集控制系统对单个水滴进行定量定性防覆冰测试。使用红外光谱仪、扫描电镜对表面形貌及结构进行表征。制得的超疏水表面静态接触角高达169.17°,滚动角3~5°,具有极好的超疏水性和低粘附力。防覆冰实验显示超疏水铝片经过65 min,在-8.3℃时才结冰,比未经过处理的普通铝片结冰时间延长了52 min,温度也要低4.2℃,显示出优异的抗结冰性能。为超疏水在防覆冰领域的应用提供了一定的参考价值。     

铝基体超疏水表面结冰结霜特性研究

采用中性电解液,通过电化学加工技术及氟化处理方法制备出铝基体超疏水表面,接触角达160°,滚动角小于5°,并在其上进行了结冰和结霜研究.在不同实验条件下研究超疏水表面的形貌、霜高随时间的变化,并与相同条件下的普通铝表面、吸水性表面进行了对比.结果表明,该超疏水表面经过50多次结霜、除霜后,仍具有很好的超疏水性能,表现出良好的重复性和耐久性;与普通铝表面相比,铝基体超疏水表面具有明显的抗结冰结霜性能,霜晶先出现在四周边缘处并逐渐蔓延到中间,但抑霜能力随着冷表面温度的降低而减小;与吸水性表面相比,超疏水表面在抗结冰结霜的同时能有效抑制表面质量的增加.     

磁控溅射制备聚四氟乙烯低温超疏水薄膜

针对输电线路工程中绝缘子的低温防结冰要求,采用磁控溅射技术在玻璃基底上制备聚四氟乙烯低温超疏水薄膜,研究了溅射制备工艺参数对薄膜超疏水性能的影响,并探究了薄膜的低温超疏水性能。利用水接触角测量仪,扫描电子显微镜以及表面轮廓仪分别对薄膜表面的润湿性能、表面形貌、膜厚以及粗糙度进行表征。结果表明,用磁控溅射工艺制备的聚四氟乙烯薄膜具有优异的疏水性能,其表面的最大静态水接触角可达170°±3°,并在低温下能够保持其超疏水的性能。     

超疏水表面抗结冰性能研究进展

阐述了近期国内外对超疏水表面抗结冰的研究进展,以期弄清这种特殊浸润性表面的抗结冰性能。发现必须根据超疏水表面的微结构类型判断其能否抗结冰,而不能只依据接触角进行笼统的判断。有些超疏水表面,其抗结冰能力随着结冰-融冰循环次数的增加而下降。在低温高湿条件下,很多超疏水表面的抗结冰能力会因水蒸气在表面微纳结构的间隙内冷凝而恶化.因此,设计机械强度高的超疏水表面(耐结冰融冰循环)、或能使冷凝水滴在其上自迁移的新型超疏水表面、或者简单地在固体表面沉积一层光滑牢固的疏冰涂层,或许是制备持久抗结冰表面的现实、可靠选择。     

超疏水铜表面的制备及其抑冰性能研究

通过在铜片表面沉积蜡烛灰涂层成功构建了纳米结构超疏水表面,该表面在室温(23±2)℃下与水滴的接触角为160°,滚动角为1°。研究了超疏水铜表面在低温条件下的抑冰性能,结果表明,在(-40±10)℃时将50μL水滴从5cm的高处滴至普通的铜表面2s开始结冰,而滴至超疏水铜试样(3cm×3cm×0.2mm)表面的水滴可以快速滚动,从滚动直至滚落超疏水铜试样表面所需的时间比水滴开始结冰所需的时间(50s)短,水滴未在超疏水铜试样表面结冰。通过测试冰与材料的黏附力,发现普通铜表面与冰的黏附力是超疏水铜表面与冰的黏附力的4.9倍。此外,在融冰的过程中发现,结冰的水滴在常温下稍微融化,在微风的作用下或稍微倾斜6°就能从超疏水铜表面滑落下来,表明超疏水铜表面比普通铜表面具有更好的抑冰性能。     

超疏水表面融霜演化行为及排液特性

及时脱除热力除霜后冷表面残留液滴,可以延缓二次结霜。本文对室温环境下超疏水表面融霜演化行为进行了微观可视化观测,对比分析了表面倾角对裸铝表面(接触角88. 0°)及超疏水表面(接触角151. 1°)融霜排液的影响。实验结果表明,水平超疏水表面融霜过程存在单液膜卷曲收缩及多液滴合并两种行为,较大的静态接触角及较小的接触角滞后是促使多液滴合并的主要原因。与倾斜裸表面融霜过程存在大量残留液滴不同,超疏水表面融霜液可实现自排除;当表面倾角>30°时,超疏水表面排液率可达90%以上。结合表面润湿特性及表面倾角推导出表面液滴临界脱落半径,与实验结果吻合较好。