结霜对超疏水表面防冰性能的影响 张毅.docVIP

中国工程热物理学会 传热传质学 学术会议论文 编号:113482 结霜对超疏水表面防冰性能的影响 张毅，葛宋，陈民 （清华大学航天航空学院, 北京 100084） (Tel: 010 Email: mchen@tsinghua.edu.cn) 摘要：采用阳极氧化的方法在铝合金基体上制备出多孔的阳极氧化膜，然后经低表面能材料修饰获得超疏水表面，并通过水滴冻结法测试和对比了该表面及未经处理的铝合金表面的防冰性能。结果表明在相同过冷度下，超疏水表面上的水滴平均冻结时间明显长于铝合金表面上的冻结时间。然而当表面结霜后，水滴在超疏水表面上的冻结时间急剧下降，不仅下降的程度超过铝合金表面，而且平均冻结时间也下降到低于铝合金表面的水平。 关键词：阳极氧化；超疏水表面；结冰；结霜；水滴冻结法 0 前言 表面覆冰影响飞机、高压输电线、海上钻井平台等的正常运行，甚至会导致严重事故的发生。常用的防/除冰方法主要分为两类：主动防/除冰法和被动防/除冰法。常用的主动防/除冰方法如加热融冰法、化学融冰法等。主动防/除冰方法在实际应用过程中暴露出很多不足，如加热融冰需要消耗大量的电能；化学融冰会腐蚀设备表面等。被动防/除冰方法主要通过改变表面的物理化学性质，制备的表面能够降低液滴在表面上的冻结概率，同时能够减小冰与表面之间的粘附力[1-3]。由于疏水及超疏水表面与水分子之间的作用力比较弱，自然而然地成为被动防/除冰方法的关注热点之一。随着对表面疏水特性研究的深入[4-6]，以及制备疏水/超疏水表面工艺的成熟[7-8]，对超疏水表面防冰性能的研究报道也在逐年增加。Kulinich等[9]比较了冰与超疏水表面及作为基底的金属表面之间的粘附力，结果表明超疏水表面上的粘附力仅是基底金属表面上的粘附力的1/5.7。Tourkine等[10]利用水滴冻结法比较了水滴在超疏水表面和亲水表面上的冻结时间，结果显示在超疏水表面上水滴冻结时间远大于亲水表面。Cao等[11]比较了不同接触角下水滴冻结的概率，发现接触角较大的表面上水滴冻结的概率比较低。 现有的大部分实验都是研究清洁超疏水表面上的粘附力、冻结概率、冻结时间等。但是在自然环境结冰过程中，环境因素，特别是结霜[12]对表面防冰性能的影响不可忽略。本文采用阳极氧化的方法在铝合金表面制备出多孔型氧化膜，经过低表面能的氟硅烷修饰后获得超疏水表面，然后通过水滴冻结法测试了结霜对抛光的铝合金表面和超疏水表面防冰性能的影响。 1 实验装置与实验方法 1.1表面阳极氧化 实验中以铝合金（Al6061）℃下保持30min，然后取出自然冷却。实验中对试样在不同的电解液和氧化条件进行氧化。工艺条件分别为，试样1：硫酸浓度0.5mol/L，氧化时间140min，电压18V，温度20℃；试样2：草酸浓度0.3mol/L，氧化时间40min，电压40V，温度20℃。 基金项目：国家自然科学基金资助项目(No 1.2表面氟化处理 为获得超疏水表面，我们采用低表面能的氟硅烷修饰氧化后的表面。实验中将乙醇和水以95:5的质量比混合作为助溶剂，配成质量分数为1%的氟硅烷溶液。为了促进水解反应，用乙酸将溶液的Ph值调至4。将配好的溶液在超声搅拌器里搅拌60min。将阳极氧化后的试样浸入氟硅烷溶液240min。然后取出晾干，放入烘箱中，在150℃下烘烤30min，取出，自然冷却。 1.3实验装置与冻结实验方法 过冷水滴冻结的瞬间会释放潜热，同时水滴的折射率也会发生明显变化。实验中通过观察水滴折射率的变化来监测水滴的冻结过程，采用CCD记录形核过程。实验装置由半导体制冷装置、数据采集模块、热电偶、CCD、计算机、水冷槽等组成，如图1所示。 实验中采用两级串联的半导体制冷片对试样进行制冷，通过调节输入功率来控制制冷温度。测温和图像采集同步进行，通过在试样侧面钻孔布置热电偶测温，用数据采集模块34970A及配套软件记录温度，CCD置于试样正上方。实验水样为去离子水，水滴体积5μL。冻结实验在温度为20℃，相对湿度0.60的环境下进行，冻结过程中的试样表面温度保持在-5℃。 图1 水滴冻结法实验装置 2实验结果与讨论 2.1表面疏水性 电解液中通过阳极氧化得到的多孔氧化铝膜如图2和图3所示,从图中可以看出草酸氧化膜的孔径明显大于硫酸氧化膜的孔径。 图2 多孔型硫酸氧化膜 图3 多孔型草酸氧化膜 通过氟硅烷修饰后表面的形貌如图4和图5，试样1氟化后表面接触角为152°，试样2氟化后表面接触角为145