【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及材料表面加工及防除冰领域，具体涉及一种具有防除冰效果的梯度微锥结构表面及其制备方法。
技术介绍
1、在气候寒冷的地区或是寒冷的高空，冰、雪和霜冻的形成和积累会对人们的日常生活和工业应用造成巨大隐患，例如汽车玻璃结冰遮挡视线阻碍出行；电力线、电信塔积冰影响网络交通；飞机机翼和螺旋桨结冰甚至威胁人们的生命安全等。如何有效地处理结冰问题仍是一个长期的巨大挑战。传统的防除冰方法通常包括如人工清除、机械振动除冰、化学抗冻剂、电热融化等，这些方法通常耗费人力、消耗能源、造成经济损失以及损伤材料表面，同时伴随着环境污染等问题，已经无法满足各种环境的防除冰需求。
2、超疏水表面以其独特的拒水性证明了它潜在的恐冰能力，且表面不消耗外部能量，在日常生活和工业应用中具有重要的研究价值与实际意义；专利cn110170747a提供了一种疏水区与亲水区相耦合的仿生集水防冰表面，其受沙漠甲虫背部集水结构的启发，采用疏水区与亲水区相耦合的方法，制备出具有仿生耦合集水铝合金表面，实现了一定的抗结冰效果，但其表面冰粘附强度的依然高于60kpa，无法实现冰的自去除；专利cn111846193a提供了一种超低冰粘附力的超疏水抗结冰航空铝合金表面，该表面以周期分布在铝合金基材表面的三维微米锥结构为基础，在微米锥表面分布有密集生长的纳米片和由纳米片组成的纳米花簇，具有较低的冰粘附力，但是并没有对延迟结冰的效果进行报道。
3、虽然超疏水表面在防冰、除冰领域的应用已有专利和文献报道，但目前已报道的超疏水表面的冰粘附强度依然较高，延迟结冰效
技术实现思路
1、本专利技术的目的是提供一种具有防冰、除冰效果的梯度微锥结构表面，可达到长时间延迟结冰与超低冰粘附的效果。
2、为实现上述目的，本专利技术提供如下技术方案：一种具有防冰、除冰效果的梯度微锥结构表面，其设置在基底上；所述表面包括多个呈周期排布的梯度性微锥阵列，所述微锥阵列中微锥表面分布有致密的纳米片结构。
3、优选的是，所述基底为铝合金。
4、优选的是，所述微锥的表面还随机分布有亚微米级颗粒，所述亚微米级颗粒的表面分布有致密的纳米片结构。
5、优选的是，各所述微锥阵列呈“山”字状，每个所述微锥阵列中的微锥按照小微锥、中微锥、大微锥、中微锥、小微锥的顺序排列；其中，大微锥直径为23～26μm，高度为20～23μm；中微锥直径为18～21μm，12～15μm；小微锥直径为10～13μm，5～7μm；大、中、小微锥间隙均为3～6μm。
6、本专利技术还提供了一种制备上述具有防冰、除冰效果的梯度微锥结构表面的方法，步骤如下：
7、s1、利用飞秒激光在铝合金表面加工出呈周期排布的梯度性微锥阵列，使表面获得微米级的锥形凸起及分布在微米级锥形突起表面的亚微米级颗粒，获得具有梯度性微锥的样品；
8、s2、将s1处理后的具有梯度性微锥的样品放入盛有去离子水的反应釜中，120℃水热处理120min；
9、s3、将经步骤s2处理后的具有梯度性微锥的样品干燥后，进行氟化处理，获得具有防冰、除冰效果的梯度微锥结构超疏水表面。
10、优选的是，步骤s1中，飞秒激光的光束垂直入射，扫描方式采用富集扫线，大微锥斜面扫描间距3μm，5μm，8μm，5μm，3μm，中微锥斜面扫描间距2μm，4μm，8μm，4μm，2μm，小微锥斜面扫描间距3μm，7μm，3μm，通过调整斜面扫描间距与刻蚀高度(改变焦点)控制斜面倾斜度与微锥尺寸大小；飞秒激光的光斑直径为18μm，脉冲能量为10mw，扫描速度为0.01m/s。
11、优选的是，各微锥扫描间距的范围在13～24μm之间。
12、优选的是，步骤s2中，在进行水热处理前，先将经步骤s2处理后的梯度微锥样品以浓度99.7％的无水乙醇超声清洗5min，去除杂质；干燥后用去离子水超声浸润2min，再将具有梯度性微锥的样品放入盛有25ml的去离子水的反应釜中，120℃水热处理120min。
13、优选的是，所述氟化处理采用低表面能的1h,1h,2h,2h-全氟癸基三乙氧基硅烷进行修饰处理。
14、优选的是，所述梯度性微锥结构表面可延迟结冰时间可达45±5min，冰粘附力达到2kpa以下。
15、本专利技术还提供了上述的具有防冰、除冰效果的梯度微锥结构表面在防冰、除冰领域中的应用。
16、相较于现有技术本专利技术至少包括以下有益效果：
17、其一、本专利技术通过研究结冰过程中水在微纳复合梯度微锥结构表面的润湿性状态、防除冰机制以及微液滴运动状态，实现冷凝过程中微液滴在拉普拉压力下挤出、聚合、弹跳自去除，减少结晶成核触发点；同时，基于梯度微锥结构及其表面致密纳米片，增大了表面空气垫，减少热交换，实现长时间延迟结冰；结冰后梯度微锥成为支撑点，减少表面结冰接触，降低冰与表面的粘附力；最终实现了低温下的高延迟结冰与超低冰粘附力效果。
18、其二、本专利技术制备简单，降低污染，处理精度高，可达到长时间延迟结冰与超低冰粘附的效果；延迟结冰时间可达45±5min(-12℃)，可使水在结冰前获得充足的脱落时间。冰粘附力达到2kpa以下(-18℃)，可在重力、风力等很小的外力下产生冰脱落；该结构可重复利用，在防除冰领域具有重要的应用价值。
19、本专利技术的其它优点、目标和特征将部分通过下面的说明体现，部分还将通过对本专利技术的研究和实践而为本领域的技术人员所理解。
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1.一种具有防冰、除冰效果的梯度微锥结构表面，其设置在基底上，其特征在于，所述表面包括多个呈周期排布的梯度性微锥阵列，所述微锥阵列中微锥的表面分布有致密的纳米片结构。
2.根据权利要求1所述的具有防冰、除冰效果的梯度微锥结构表面，其特征在于，所述基底为铝合金。
3.根据权利要求1所述的具有防冰、除冰效果的梯度微锥结构表面，其特征在于，所述微锥的表面还随机分布有亚微米级颗粒，所述亚微米级颗粒的表面分布有致密的纳米片结构。
4.根据权利要求1所述的具有防冰、除冰效果的梯度微锥结构表面，其特征在于，各所述微锥阵列呈“山”字状，每个所述微锥阵列中的微锥按照小微锥、中微锥、大微锥、中微锥、小微锥的顺序排列；其中，大微锥直径为23～26μm，高度为20～23μm；中微锥直径为18～21μm，高度为12～15μm；小微锥直径为10～13μm，高度为5～7μm；大、中、小微锥间隙均为3～6μm。
5.一种根据权利要求1～4任一项所述的具有防冰、除冰效果的梯度微锥结构表面的制备方法，其特征在于，步骤如下：
6.根据权利要求5所述的具有防冰
7.根据权利要求5所述的具有防冰、除冰效果的梯度微锥结构表面的制备方法，其特征在于，各微锥扫描间距的范围在13～24μm之间。
8.根据权利要求5所述的具有防冰、除冰效果的梯度微锥结构表面的制备方法，其特征在于，步骤S2中，在进行水热处理前，先将经步骤S2处理后的梯度微锥样品以浓度99.7％的无水乙醇超声清洗5min，去除杂质；干燥后用去离子水超声浸润2min，再将具有梯度性微锥的样品放入盛有25ml的去离子水的反应釜中，120℃水热处理120min。
9.根据权利要求5所述的具有防冰、除冰效果的梯度微锥结构表面的制备方法，其特征在于，所述氟化处理采用低表面能的1H,1H,2H,2H-全氟癸基三乙氧基硅烷进行修饰处理。
10.一种如权利要求1～8任一项所述的具有防冰、除冰效果的梯度微锥结构表面在防冰、除冰领域中的应用，其特征在于，所述梯度微锥结构表面可延迟结冰时间达45±5min，冰粘附力达到2kPa以下。
...【技术特征摘要】
1.一种具有防冰、除冰效果的梯度微锥结构表面，其设置在基底上，其特征在于，所述表面包括多个呈周期排布的梯度性微锥阵列，所述微锥阵列中微锥的表面分布有致密的纳米片结构。
2.根据权利要求1所述的具有防冰、除冰效果的梯度微锥结构表面，其特征在于，所述基底为铝合金。
3.根据权利要求1所述的具有防冰、除冰效果的梯度微锥结构表面，其特征在于，所述微锥的表面还随机分布有亚微米级颗粒，所述亚微米级颗粒的表面分布有致密的纳米片结构。
4.根据权利要求1所述的具有防冰、除冰效果的梯度微锥结构表面，其特征在于，各所述微锥阵列呈“山”字状，每个所述微锥阵列中的微锥按照小微锥、中微锥、大微锥、中微锥、小微锥的顺序排列；其中，大微锥直径为23～26μm，高度为20～23μm；中微锥直径为18～21μm，高度为12～15μm；小微锥直径为10～13μm，高度为5～7μm；大、中、小微锥间隙均为3～6μm。
5.一种根据权利要求1～4任一项所述的具有防冰、除冰效果的梯度微锥结构表面的制备方法，其特征在于，步骤如下：
6.根据权利要求5所述的具有防冰、除冰效果的梯度微锥结构表面的制备方法，其特征在于，步骤s1中，飞秒激光的光束垂直入射，扫描方式采用横竖富集扫线...
【专利技术属性】
技术研发人员：李国强，赖林，王魏建，吴威明，尹欢，
申请(专利权)人：西南科大四川天府新区创新研究院，
类型：发明
国别省市：
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