超疏水表面防冰性能研究

《超疏水表面防冰性能研究》是依託清華大學，由鄭泉水擔任項目負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：超疏水表面防冰性能研究
• 依託單位：清華大學
• 項目負責人：鄭泉水
• 項目類別：面上項目

項目摘要

表面結冰問題廣泛存在於日常生活及工業生產中，但如何真正實現抗結冰是一個很大的科學和技術挑戰，具有重大的意義。許多研究表明，具有微納米結構的超疏水表面對於降低覆冰粘附強度、延緩結冰過程有積極作用，但實際結冰多由於濕度條件下水汽凝結或結霜所引起，導致現知超疏水方式抗結冰失效。 以往的研究重心在於表面改性和各種超疏水表面的製備和抗結凍的炒菜式嘗試，少有提升到系統性、成理論的高度。本項目擬在超疏水形成和演化機理、液滴表面運動等方面最新的一些發現基礎上，研究這些機理和運動現象與超疏水表面結冰過程的關係，特別是微納尺度的影響。這是一個全新的研究思路。本項目將在深入系統的理論和數值模擬，與特定的超疏水微結構表面製備和大量的抗結冰實驗之間，互動進行。這項研究，將幫助理解表面超疏水性與疏冰性之間的關係，並可望實現抗結冰技術的突破。

結題摘要

表面結冰問題廣泛存在於日常生活及工業生產中，但如何真正實現抗結冰是一個很大的科學和技術挑戰，具有重大的意義。許多研究表明，具有微納米結構的超疏水表面對於降低覆冰粘附強度、延緩結冰過程有積極作用，但實際結冰多由於濕度條件下水汽凝結或結霜所引起，導致超疏水方式抗結冰失效。超疏水狀態得益於液體只與固體粗糙表面的頂部接觸，進而形成的氣液與固液混合接觸界面，這種液體的潤濕狀態被稱為Cassie狀態。但是，壓力等外界擾動容易引起Cassie狀態到Wenzel狀態的不可逆轉換，進而導致超疏水性失效。這大大降低了超疏水表面的穩定性，限制了它的套用。為解決此問題，需要製作出超疏水狀態可自恢復的表面，即實現Wenzel到Cassie狀態的自發轉換。面對此挑戰，我們通過新穎的思路，創新性的方法，以及大量的實驗，率先提出單穩Cassie狀態的概念，並證明了單穩Cassie狀態的存在，給出了實現單穩Cassie狀態的條件，討論了Cassie狀態的穩定性。 此外，我們通過實驗的方法研究了蜂窩狀微結構表面潤濕性行為，從微結構設計到製備，從實驗設施的搭建到操作，系統地構建了整個實驗流程，重點研究了蜂窩狀封閉單元的微結構表面潤濕行為，包括靜態接觸角、接觸狀態、動態接觸角、接觸線釘扎以及表面液滴冷凝、結冰現象的研究。在該表面進行了結冰實驗，並測量了凍的橫向剪下粘附力和垂直方向的脫開粘附力。結果表明該結構表面並不能有效降低凍的粘附力，從而與我們建立的理論模型相悖。通過液滴的透鏡效應，我們持續觀測液滴從坐落表面結構上開始到結凍的整個過程。實驗發現，液滴從降溫到結冰這一段時間內，凹坑內部由於液滴表面的水汽蒸發和壁面冷凝而不斷充盈微小水滴。微小水滴在與液滴表面的合併過程中存在遲滯和粘附，導致在結構的稜角處存在水的浸潤。在隨後的結冰過程中，該處的浸潤使得凍的結構粘附大大增加，從而抑制了抗結冰效果。