一种仿秦岭箭竹叶防冰雪多层不等高微纳结构制造技术

本发明专利技术攻克了一种仿秦岭箭竹叶防冰雪多层不等高微纳结构，属于材料制备领域。该结构包括置于基底上的多层不等高微纳结构，分别为阵列排布的柱状结构体1、梭型结构体2、乳突状结构体3、柱状纳米结构体4。本发明专利技术通过新的仿生对象—秦岭箭竹叶，提出了一种仿秦岭箭竹叶防冰雪多层不等高微纳结构。通过防冰雪机理和实验数据证明了该结构在防冰雪方面具备的有益效果。

A kind of imitation Qinling Mountains arrow bamboo leaves to prevent snow and ice with multi-layer and high micro nano structure

The invention conquers a multi-layer and high micro nano structure imitating Qinling Mountains arrow bamboo leaves to prevent snow and ice, and belongs to the field of material preparation. The structure consists of the multilayer unequal high micro nano structures on the base, which are column like structure 1, shuttle structure 2, mastoid structure 3 and columnar nanoscale structure 4. The invention provides a multi-layer Unequal-height micro-nano structure for ice and snow prevention of the bamboo leaf of the Qinling arrow bamboo, which is a new bionic object, namely, the bamboo leaf of the Qinling arrow bamboo. The mechanism and experimental data show that the structure is effective in preventing ice and snow.

【技术实现步骤摘要】
一种仿秦岭箭竹叶防冰雪多层不等高微纳结构
本专利技术涉及一种仿秦岭箭竹叶防冰雪多层不等高微纳结构，属于材料制备领域。
技术介绍
冰雪威胁飞机飞行安全，严重时可导致飞机失控甚至坠毁。现有的机械、电热、气热等飞机防/除冰方法存在能耗大、负载大的不足。近年来国际上提出了仿生微纳结构表面防冰雪的新方法。研究人员发现，仿荷叶的超疏水表面(superhydrophobicsurfaces，SHS)和仿猪笼草的润滑层表面(slipperyliquid-infusedporoussurfaceses，SLIPS，或称滑移液体浸润多孔表面)具有良好的防冰雪性能。仿生微纳结构表面防冰雪方法具有无能耗、无需额外机构、绿色环保等优点，成为国际研究热点。
技术实现思路
虽然仿荷叶超疏水防冰雪和猪笼草表面润滑层防冰雪研究取得了很大进展，但科学探索没有止境。自然界还有没有别的仿生对象，具有不一样的防冰雪机理？本专利技术将目光投向了海拔2000米以上的秦岭高山(该地区每年有半年多时间都有冰雪)，专门组织多次户外登山去寻找新的启发。功夫不负有心人，我们发现，在海拔2200到2900米的秦岭高山草甸区生长的一种秦岭箭竹叶具有优异防冰雪性能，其表面很少覆盖冰雪，即使有冰雪覆盖也很容易从叶片表面脱落下来。为了验证这个假设，我们带上仪器设备，在下雪天登上秦岭高山草甸区，将秦岭箭竹叶与荷叶进行对比。我们通过自制的类似于液体滚动角测量装置的实验装置，倾斜竹叶和荷叶表面，测试雪在表面脱落的角度(对应雪在表面脱落不同的切向力)，来评价冰雪在表面的粘附能力。实验结果表明，雪在竹叶表面更容易脱落，其脱落的角度比在荷叶表面小十几度。除了粘附对比实验，我们还通过结冰延迟对比实验，发现箭竹叶表面结冰延迟时间略低于荷叶，说明箭竹叶防冰雪的主要原因在于降低粘附而非延迟结冰时间。上述实验初步验证了我们的假设，即秦岭箭竹叶表面防冰雪是因为它大大降低了冰雪粘附。进一步我们要问，为什么秦岭箭竹叶相比荷叶大大降低了冰雪粘附？现有的研究表明，表面微观结构对性能具有重要的影响作用，因此我们自然地想到从表面微观结构入手进行研究。通过扫描电镜观测秦岭箭竹叶表面微观结构，发现其形貌为多层不等高微纳结构，显然，秦岭箭竹叶的表面不同于荷叶的表面。本专利技术提出的仿秦岭箭竹叶防冰雪多层不等高微纳结构，包括置于基底上的多层不等高微纳结构。如图1所示：第一层为阵列排布的柱状结构体1，所述柱状结构体1的高度范围30到50微米，直径范围10到20微米，柱状结构体1的横向间距范围50到100微米，纵向间距范围30到70微米；第二层结构为阵列分布的梭型结构体2，所述梭形结构体2的一端带有尖角，另一端带有圆弧曲面，尖角与圆弧曲面以平滑曲面连接，且所有梭形结构体2的尖角端超同一方向排列；所述梭形结构体2长度范围20到60微米，宽度范围10到30微米，高度范围10到20微米，梭形结构体2的横向间距范围50到100微米，纵向间距范围30到60微米；第三层结构为阵列分布的乳突状结构体3，和荷叶的乳突结构类似，这里简化为一个圆柱体，所述乳突状结构体3的高度范围5到10微米，直径范围5到10微米，乳突状结构体3的横向间距范围5到10微米，纵向间距范围5到10微米；第四层结构为密布于基底表面的柱状纳米结构体4，所述柱状结构体4的高度范围500到1000纳米，直径范围200到500纳米，柱状结构体4的横向间距范围3到6微米，纵向间距范围2到5微米。本专利技术中，多层不等高微纳结构的排列既可以是一种有序的排列，即每一种结构单元在行列上的排布都是在一条直线上，且单位面积上的分布密度是相同的；也可以是一种错位的排列，即每一种结构单元在行列上的排布不是在一条直线上，会出现上下、左右的偏移，且单位面积上的分布密度也是不同的。所述基底既可以是一个平面，也可以是一个具有不同曲率的波曲面，同时也包括了一些不规则曲面。本专利技术中，上述两个结构层均可采用金属、无机非金属、聚合物等材料来制备，金属材料如铝、铜、钢等，以及其合金材料，无机非金属材料如玻璃、陶瓷等，聚合物材料如PDMS(聚二甲基硅氧烷)、光刻胶等。本专利技术发现了一种新的仿生对象—秦岭箭竹叶，这种秦岭箭竹叶比起荷叶具有更好的防冰雪能力，从而提出了一种仿秦岭箭竹叶防冰雪多层不等高微纳结构。本专利技术中所提出的多层不等高微纳结构的防冰雪机理如下：理想的粘附是将一个拥有初始共界面的两个相之间分离单位面积的可逆热力学过程。实际的粘附必须考虑到跨过结合处能量转移的所有可能的方面，不仅考虑理想的粘附强度，还要考虑到表面气泡和裂纹的数量及尺寸、不可逆的破裂过程。理想的粘附强度Fad涉及到分子间的作用力，它能给出一个界面在出现破坏(即分离)前所承受的最大的力或功，如式所示式中，Fad是理想粘附强度；WA(B)B(A)是粘附功，表示将两种介质A、B的单位面积从接触到分开至无穷远距离时自由能的变化；r0分离的平衡距离，通常在几个分子直径的数量级(0.2-0.5nm)。由于分子间存在相互的作用力，当增加物质表面积时，需要外界对物质体系做功。当分离冰雪和仿秦岭箭竹叶表面时，多层不等高微纳结构表面使得冰雪的实际接触面积减少，导致更小的粘附功。导致理想和实际粘附强度差异的一个原因是界面区域几乎始终存在的气泡和裂纹。冰雪覆盖在具有微观结构粗糙表面上，容易在微结构的低凹处截留空气形成气泡。比起荷叶(乳突加纳米凸起的双层微纳复合结构)或者一般其他的微纳复合结构，本专利技术提出的仿秦岭箭竹叶的多层不等高微纳结构，增多气泡数量和体积，减小冰雪与表面微结构间的固固机械互锁；另一方面，多层不等高微结构形成更多的界面突变，会导致应力集中，使裂纹更易产生和发展，从而使得表面上具有较低的冰雪粘附力。实际接合处的破裂主要包括两种方式——接合处的粘附破坏或其附近的内聚破坏，如图2所示。破裂方式的正确识别具有非常重要的意义，如果能够确定破坏是发生在靠近界面的内聚破坏(a)，那么介质的内聚强度小于粘附强度；如果破坏发生在界面上(b)，那么介质的内聚强度大于粘附强度。由于仿箭竹叶的多层不等高微纳结构，使得冰雪在切向分力的作用下，更加容易脱落。在实施例中，我们通过使用德国Nanoscribe的3D打印机制造出一个多层不等高微纳结构和一个双层的仿荷叶微纳复合结构以及一个光滑平面。通过实验发现确实具有多层不等高微纳结构的粘附力更小，它的粘附力是双层的仿荷叶微纳复合结构的一半，光滑平面的十分之一，也说明了本专利技术提出的仿箭竹叶的多层不等高微纳结构在防冰雪方面的优势。附图说明图1表示多层不等高微纳结构的轴测图图2表示冰雪不同破坏形式示意图图3表示多层不等高微纳结构的侧视图图4表示多层不等高微纳结构的俯视图图5表示不同基底面的轴测图具体实施方式具体实施方式1基底和表面微结构由钛合金制成，基底是一个平面，这多层不等高微纳结构，第一层为柱状结构，其高度是40微米，直径是15微米，结构体的横向间距是70微米，纵向间距是45微米；第二层为梭型结构，梭形结构体长度是50微米，宽度是15微米，高度是15微米，结构体的横向间距是70微米，纵向间距是45微米；第三层为乳突状结构，这里简化为一个圆柱，这个圆柱的高度是7微米，直径是8微米，结构体的横向间距是6微米，纵向间距是6微米；第四本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种仿秦岭箭竹叶，其特征在于，包括置于基底上的防冰雪多层不等高微纳结构：第一层为阵列排布的柱状结构体1，所述柱状结构体1的高度范围30到50微米，直径范围10到20微米，柱状结构体1的横向间距范围50到100微米，纵向间距范围30到70微米；第二层结构为阵列分布的梭型结构体2，所述梭形结构体2的一端带有尖角，另一端带有圆弧曲面，尖角与圆弧曲面以平滑曲面连接，且所有梭形结构体2的尖角端超同一方向排列；所述梭形结构体2长度范围20到60微米，宽度范围10到30微米，高度范围10到20微米，梭形结构体2的横向间距范围50到100微米，纵向间距范围30到60微米；第三层结构为阵列分布的乳突状结构体3，和荷叶的乳突结构类似，这里简化为一个圆柱体，所述乳突状结构体3的高度范围5到10微米，直径范围5到10微米，乳突状结构体3的横向间距范围5到10微米，纵向间距范围5到10微米；第四层结构为密布于基底表面的柱状纳米结构体4，所述柱状结构体4的高度范围500到1000纳米，直径范围200到500纳米，柱状结构体4的横向间距范围3到6微米，纵向间距范围2到5微米。

【技术特征摘要】
1.一种仿秦岭箭竹叶，其特征在于，包括置于基底上的防冰雪多层不等高微纳结构：第一层为阵列排布的柱状结构体1，所述柱状结构体1的高度范围30到50微米，直径范围10到20微米，柱状结构体1的横向间距范围50到100微米，纵向间距范围30到70微米；第二层结构为阵列分布的梭型结构体2，所述梭形结构体2的一端带有尖角，另一端带有圆弧曲面，尖角与圆弧曲面以平滑曲面连接，且所有梭形结构体2的尖角端超同一方向排列；所述梭形结构体2长度范围20到60微米，宽度范围10到30微米，高度范围10到20微米，梭形结构体2的横向间距范围50到100微米，纵向间距范围30到60微米；第三层结构为阵列分布的乳突状结构体3，和荷叶的乳突结构类似，这里简化为一个圆柱体，所述乳突状结构体3的高度范围5到10微米，直径范围5到10微米，乳突状结构体3的横向间距范围5到10微米，纵向间距范围5到10微米；第四层结构为密布...

【专利技术属性】
技术研发人员：苑伟政，何洋，吕湘连，刘谦，王圣坤，杨儒元，
申请(专利权)人：西北工业大学，
类型：发明
国别省市：陕西,61