一种有序封闭式微纳复合结构防冰表面及其制备方法技术

本发明专利技术涉及一种功能性表面工程领域，具体涉及有序封闭式微纳复合结构防冰表面及其制备方法，综合脉冲激光及水热法进行表面微纳化处理，形成有序封闭式微纳复合结构防冰表面，有序封闭式结构间的空气能阻止水滴的渗入，进而降低表面与水滴间的热传递，从而延长结冰时间，防冰效果相对较好，所述有序封闭式微纳复合结构表面具有疏水性，可延缓结冰时间，降低冰层与表面粘附力，增强表面的机械稳定性。增强表面的机械稳定性。增强表面的机械稳定性。

【技术实现步骤摘要】
一种有序封闭式微纳复合结构防冰表面及其制备方法


[0001]本专利技术涉及一种功能性表面工程领域，具体涉及一种综合脉冲激光及水热法进行表面微纳化处理以提高金属表面防冰性能的表面处理方法。

技术介绍

[0002]结冰是金属表面普遍存在的自然现象。金属低温冷表面的结冰问题广泛涉及到航空航天、风力/光伏发电、传热、散热、制冷、交通运输和电力通信等重要工业领域。在某些条件下，低温冷表面冰霜的附着和积聚不仅会降低设备的性能及运行效率，严重时甚至带来巨大的经济损失，威胁到人们的生命和财产安全。鉴于结冰对生产、生活的严重危害，金属低温冷表面防冰性能及其控制技术一直是相关研究领域迫切关注的重点和热点之一。
[0003]近年来，具有微纳结构的超疏水表面应用于防冰受到了相关研究领域的广泛关注。防冰是指延长过冷水的结冰时间，使过冷水在凝固之前有足够的时间能够依靠重力、风力、离心力等作用脱离结冰表面。大量研究表明，超疏水表面能够延长表面水滴结冰的诱导时间，对冰霜具有较小的粘附性，将减少积冰的倾向。
[0004]一般来说，材料表面的结冰是通过水滴的冷却成核机制形成的。水滴单位时间内的热量变化值为单位时间内通过热传导和热辐射从空气中获取的热量与传递给基底材料的热量之差。当水滴落在基底材料表面时，如果水滴和基底材料表面的接触面积较小，导致传递给基底材料的热量减小，并引起单位时间内的热量变化值增大及水滴下降温度减小，使得水滴不易结冰。受此启发，基底材料表面微纳结构对其防冰性能有着重要的影响。
[0005]目前，用于防冰的基底材料表面微纳结构多为开放式微纳结构阵列，如圆柱体、长方体、圆锥体等微纳阵列。开放式微纳结构其机械性能和稳定性较差、容易因加工、极端恶劣的环境和使用过程中的冲击、摩擦等机械作用而损坏，因而防冰性能的耐久性较差。如果考虑实际应用情况，无论是飞机机翼还是暴露在空气中的各种设备的结冰情况，水滴往往会从高处滴落在物体表面，开放式微结构的压力稳定性较差，结构易于损坏，在液滴撞击时，疏水性往往会失效，导致防冰效果变差。
[0006]目前，针对表面微纳结构的制备，常用的方法如溶胶
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凝胶法、化学气相沉积法、静电纺丝法、阳极氧化法、模板法、化学刻蚀法、纳米压印法、电沉积法和自组装法等。虽然上述几种制备方法各有其特定优点，但相应的缺点也不容忽视，如成本高、制备步骤复杂、材料限制、微纳结构可控性不足等。

技术实现思路

[0007]基于此，需要提供一种有序封闭式微纳复合结构防冰表面及其制备方法，构建合理有序的封闭式微纳结构以增强表面的机械稳定性、动态防冰性、延长结冰时间成为提高金属基底表面防冰性能的关键。
[0008]为实现上述目的，本专利技术提供了一种有序封闭式微纳复合结构防冰表面，包括分布于金属基片上的多个相切的周期性管状微结构，所述管状微结构上设有纳米结构，所述
管状微结构和纳米结构组成微纳复合结构，所述管状微结构之间存在空气间隙，所述微纳复合结构之间存在空气间隙。
[0009]进一步的，所述纳米结构包括茸毛状纳米结构、胶体状纳米结构、小孔状纳米结构和/或珊瑚状纳米结构。
[0010]进一步的，多个相切的周期性管状微结构在金属基片表面上呈有序排列。
[0011]进一步的，所述管状微结构的横截面为圆环形。
[0012]进一步的，所述管状微结构的特征尺寸为180
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220μm，优选200μm。所述管状微结构的外径R为90
‑
110μm，内径r为45
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55μm，高度h为50
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60μm，内圈深度d为50
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60μm。
[0013]进一步的，所述纳米结构的尺寸为100nm～1μm不等。
[0014]本专利技术还提供了有序封闭式微纳复合结构防冰表面制备方法，包括以下步骤：
[0015]S1：对待加工的金属基片进行抛光、清洗；
[0016]S2：利用脉冲激光在金属基片光滑表面上构建封闭式周期性管状微结构，并在激光加工后用去离子水清洗金属表面；
[0017]S3：将激光加工得到的金属表面进行水热法氧化，得到金属表面管状微结构上的纳米结构；
[0018]S4：对金属表面进行表面低能化处理，得到具有防冰特性的微纳复合结构表面。
[0019]进一步的，所述纳米结构包括茸毛状纳米结构、胶体状纳米结构、小孔状纳米结构和/或珊瑚状纳米结构。
[0020]进一步的，所述步骤S1中的金属基片为钛合金、铝合金或其他金属，抛光步骤为使用不同型号的砂纸对金属表面进行抛光打磨，清洗方法为使用去离子水将打磨后的金属表面残留物进行冲洗，并放入无水乙醇中进行超声清洗，取出后用去离子水冲洗表面残留的无水乙醇，氮气吹干金属表面。
[0021]进一步的，所述步骤S2中金属基片表面上多个周期性管状微结构呈相切且有序排列，呈封闭式结构。所述步骤S2中可通过优化脉冲激光加工工艺参数(激光脉宽、重复频率、激光功率、扫描速度、扫描间距、扫描次数等)，实现对金属表面周期性微结构的主动控制。
[0022]进一步的，所述步骤S3中对金属表面进行水热法氧化的方法为激光加工得到的金属基片放入60
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110℃的H2O2溶液中进行氧化，氧化时间1
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9h，氧化完成后用清水冲洗金属表面杂质，再放置于450℃的加热板上高温加热1小时，之后以每分钟5℃的速度进行退火，直至降到常温，由此在金属表面周期性管状微结构上生长出纳米结构，从而得到微纳复合结构表面。其中可通过氧化时间长短控制纳米结构，当氧化时间为1h、3h、5h、7h和9h时纳米结构分别呈茸毛状、胶体状、小孔状、珊瑚状和珊瑚状，即氧化时间超过7h时，变化将不再明显。
[0023]进一步的，所述步骤S3中低能化处理方法为将微纳复合结构金属表面放入配制好的2％wt.的七氟十烷基三甲氧基硅烷(Fas
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17)乙醇溶液中，溶液需完全覆盖样品表面进行浸泡，浸泡24h后取出置于空气中晾干。
[0024]区别于现有技术，上述技术方案具有以下有益效果：
[0025](1)本专利技术采用有序的封闭式微纳结构设计，其粗糙表面降低了水滴与基底材料的接触面积，保证了在结冰过程中表面空隙间捕获的空气不受外部影响，其管状微结构及微纳复合结构之间存在空气气隙，有序封闭式结构间的空气能阻止水滴的渗入，进而降低
表面与水滴间的热传递，从而延长结冰时间，防冰效果相对较好，所述有序封闭式微纳复合结构表面具有疏水性，可延缓结冰时间，降低冰层与表面粘附力，增强表面的机械稳定性。
[0026](2)相比开放式微纳结构，封闭式微纳结构的表面由于整个墙体结构的连续性，能有效地将局部的冲击分散到整个表面，压力稳定性较强，可以抵抗液滴从高处滴落的冲击，使水滴快速弹开，耐冲击能力更高，保持疏水性，所以封闭式结构的动态防冰性优于开放式结构。
[0027](3)本专利技术中提出的脉冲激光加工周期性本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种有序封闭式微纳复合结构防冰表面，其特征在于，包括分布于金属基片上的多个相切的周期性管状微结构，所述管状微结构上设有纳米结构，所述管状微结构和纳米结构组成微纳复合结构，所述管状微结构之间存在空气间隙，所述微纳复合结构之间存在空气间隙。2.根据权利要求1所述的有序封闭式微纳复合结构防冰表面，其特征在于，所述纳米结构包括茸毛状纳米结构、胶体状纳米结构、小孔状纳米结构和/或珊瑚状纳米结构。3.根据权利要求1所述的有序封闭式微纳复合结构防冰表面，其特征在于，多个相切的周期性管状微结构在金属基片表面上呈有序排列。4.根据权利要求1所述的有序封闭式微纳复合结构防冰表面，其特征在于，所述管状微结构的横截面为圆环形。5.根据权利要求1所述的有序封闭式微纳复合结构防冰表面，其特征在于，所述管状微结构的特征尺寸为180
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220μm，所述管状微结构的外径R为90
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110μm，内径r为45
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55μm，高度h为50
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60μm，内圈深度d为50
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60μm。6.制备权利要求1
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5任一有序封闭式微纳复合结构防冰表面的方法，其特征在于，包括以下步骤：S1：对待加工的金属基片进行抛光、清洗；S2：利用脉冲激光在金属基片光滑表面上构建封闭式周期性管状微结构，并在激光加工后用去离子水清洗金属表面；S3：将激光加工得到的金属表面进行水热法氧化，得到金属表面管状微结构上的纳...

【专利技术属性】
技术研发人员：颜黄苹，陈子露，王子俊，尹靖博，
申请(专利权)人：厦门大学，
类型：发明
国别省市：