文档介绍：中国工程热物理学会学科类别传热传质学
学术会议论文编号:123492
疏水性对表面防冰性能的影响基金项目: 国家自然科学基金资助项目(NO. 50876049)
张毅,葛宋,张相雄,陈民*
(清华大学航天航空学院, 北京 100084)
(Tel: 010-72773776, Email: ******@tsinghua.)
摘要: 形核率是衡量液固形核过程发生概率的重要参数。与固体表面接触的过冷水,其形核率将受到表面性质的影响,通过测量水滴在表面的形核率可以评价表面的防冰性能。本文利用阳极氧化和低表面能材料FAS-17修饰铝合金基底,制备出具有不同疏水性的表面,并利用水滴冻结法测量和比较了不同表面上的形核率。研究表明,表面的防冰能力有随着接触角增大而增加的趋势,但表面的具体形貌和化学组成与表面的防冰能力有较复杂的关系。
关键词:超疏水表面防冰形核率水滴冻结法
0 前言
低温条件下的表面覆冰现象对于航空安全[1]、电力系统保护、寒冷地区室外设备的正常运行均会产生严重的威胁。研究者已开发出多种措施来消除或减小结冰的危害,如:加热融冰、化学防冰、气动除冰等。但是这些方法都有其局限性,如能耗高、对环境影响大、作用时间短、适用范围小等,至今仍没有一种比较理想的防冰除冰方法。受自然界的启发,近年来很多学者将研究方向转向了超疏水表面,并从冰与表面的粘附力[2-4]、水滴冻结延迟[5-6]、水滴在表面的冻结温度等方面对疏水表面的防冰性能进行了研究。结果表明,从防止表面上冰的生成的角度来看,疏水表面有可能延长水滴的冻结时间,降低在表面的冻结温度。[6-8] 但是,冻结延迟时间、冻结温度的测量不仅与疏水表面的几何形貌和化学性质有关,还与实验条件(如过冷度、降温速率、水滴的大小、水与表面接触面积等)有关,因此并不适合作为表面防冰性能的评价标准。
形核率是指单位时间内在单位体积或单位面积内出现临界晶核的频率[9],是衡量结冰难易程度的重要参数,且受不同实验条件影响相对较小。形核率越大,过冷水发生冻结的概率越大。因此通过比较相同温度下液滴在表面上形核率的大小,可以衡量不同表面对形核的促进程度,以此表征表面的防冰性能。本文中,通过在铝基底上进行阳极氧化和低表面能材料修饰获得具有不同疏水性的表面,同时在铜表面采用电化学沉积的方法获得了超疏水表面。采用水滴冻结法测量和比较了过冷水在各表面上的形核率,并分析了表面防冰性能与疏水性及表面形貌的关系。
1 实验
疏水表面的制备
表面化学成分及微观结构是影响表面湿润性的主要因素。本实验中均以铝合金6061(15×40×2mm3)为基体,通过阳极氧化来构造具有不同特征尺度表面微观结构,同时以低表面能的十七氟癸基三乙氧基硅烷(FAS-17)作为表面修饰材料。在制备过程中,先将基体表面进行机械抛光,然后分别在丙酮和去离子水中超声清洗,以除去表面的油脂污垢。为了获得不同的表面形貌,将铝合金基体在不同的酸溶液中进行阳极氧化,具体氧化工艺见表1。构筑好微观结构后,利用FAS-17来修饰表面,即通过水解的方法使FAS-17附着在基体上[10]。具体做法是:将无水乙醇和去离子水以95:5的体积比混合作为溶剂,加入FAS-17配成质量分数为1%或2%的氟硅烷溶液,超声振荡一小时。随后将氧化后的试样浸入
到配好的氟硅烷溶液