一种抑霜除霜超疏水表面结构

1.本实用新型涉及加工制备技术领域，具体涉及一种抑霜除霜超疏水表面结构。


背景技术：

2.冷凝结霜是工业生产中最常见的一种结冰形式，然而霜层的堆积往往给对应工业过程造成危害，特别是处在低温工况下运行的换热器，由于霜层的多孔结构引入的热阻，其换热过程往往受到严重阻碍。
3.传统用于解决霜层堆积问题的技术手段主要包括以下三种类型：(1)喷洒醇类有机溶剂或盐来降低混合霜层的凝固点；(2)直接或间接吸收外来热源来融化霜层，如外置红外辐射源和嵌植导电线圈；(3)编辑系统循环周期，如热泵加热间隙进行制冷循环，从而使外机吸收热量来融化附着霜层。
4.上述的抑霜除霜手段通常会消耗大量的能源，影响设备运行，甚至污染环境。近年来，随着以激光刻蚀为代表的微纳米加工工艺的发展，通过表面设计在工作面外层加工微纳米尺度的拓扑结构单元，使器件整体拥有“自洁”能力，可以有效地解决霜层堆积问题。
5.然而，此类加工方法依赖超净室环境和光刻机等大型设备的投入，经济代价大且无法大范围批量加工。


技术实现要素：

6.本实用新型的目的就是为了解决霜层堆积问题而提供一种抑霜除霜超疏水表面结构及其制备方法，本实用新型不仅抑霜除霜性能优异，且加工技术简单，成本低。
7.本实用新型的目的可以通过以下技术方案来实现：
8.一种抑霜除霜超疏水表面结构，包括光滑的基底，所述基底的表面具有等间矩的微米级圆弧槽阵列，所述微米级圆弧槽阵列表面具有微纳米拓扑结构，并在该微纳米拓扑结构上设置疏水层。
9.优选地，所述基底为金属片，表面打磨抛光。
10.优选地，所述基底为铜片、铝片或铝合金片，厚度为1
‑
5mm，厚度为1
‑
5mm。
11.优选地，所述圆弧槽的弧度为30～150
°
，弧长为50～500μm。
12.优选地，所述圆弧槽的弧度为120
°
，弧长为500μm。
13.优选地，所述微米级圆弧槽阵列是采用微机械加工的方法加工出的微米级圆弧槽阵列。
14.优选地，所述圆弧槽阵列的表面形成一层微纳米级刃状结构。
15.优选地，所述微纳米拓扑结构上设置的疏水层通过硅烷化形成。
16.一种抑霜除霜超疏水表面结构的制备方法，在光滑的基底试样表面加工出具有等间矩的微米级圆弧槽阵列，将具有微米级圆弧槽阵列的试样清洗后在混合碱液中加热氧化，在试样表面形成一层微纳米级的刃状结构，得到具有微纳米拓扑结构的试样表面，之后在试样表面进行硅烷化，形成一层单分子疏水基团，并使其呈超疏水态。
17.优选地，所述微米级圆弧槽阵列是采用微机械加工的方法加工制得。
18.优选地，试样清洗具体方法为，将具有微米级圆弧槽阵列的试样浸泡在丙酮溶液中并使用超声波进行清洗，祛除表面的有机污染物，超声波的清洗时长至少为 10分钟，丙酮溶液的温度为室温，超声波清洗结束后要依次使用异丙醇和去离子水冲洗试样表面，直至将残余的丙酮溶液清除干净，并用氮气进行干燥。
19.优选地，所述混合碱液为naclo2、naoh、na3po4·
12h2o和去离子水的混合液，在试样表面形成一层纳米级的刃状结构后，将试样取出，用去离子水冲洗干净，并用纯净的氮气进行干燥，得到具有微纳米拓扑结构的试样表面。
20.优选地，所述混合碱液中naclo2，naoh，na3po4·
12h2o与去离子水的质量比为3.75:5:10:100，加热温度控制在96
±
3℃之间，加热时长为25
‑
35分钟。
21.优选地，所述硅烷化通过气相化学沉积法或直接液相浸没法完成，采用气相化学沉积法时，对试样先进行等离子预处理不低于1小时。所述硅烷化的硅烷试剂采用全氟辛基三氯硅烷，将具有微纳米拓扑结构的试样放在真空罐中，并将液态全氟辛基三氯硅烷放在锡纸上，至于真空罐内，使用真空泵对真空罐抽真空，真空罐内的压力维持在10kpa，使试样维持30分钟，以形成稳定的超疏水涂层。
22.作为本实用新型具体的一种实施方式，一种抑霜除霜超疏水表面结构及其制备方法，包括以下步骤：
23.以光滑铜片为基底材料，采用微机械加工的方法在试样表面上加工出具有等间矩的微米级圆弧槽阵列；将具有微米级圆弧槽阵列的试样浸泡在丙酮溶液中并使用超声波进行清洗，以祛除其表面的有机污染物；将清洗完成后的试样放入到 naclo2、naoh、na3po4·
12h2o和去离子水的混合碱液中加热氧化，在试样表面形成一层纳米级的刃状结构，随后将试样取出，使用去离子水冲洗干净，并用纯净的氮气进行干燥，得到具有微纳米拓扑结构的试样表面；将具有微纳米拓扑结构的试样表面进行硅烷化(可以通过气相化学沉积法或直接液相浸没法完成，硅烷试剂选取全氟辛基三氯硅烷)，经过该步骤后试样表面形成一层单分子疏水基团，并因此呈现超疏水态。
24.本实用新型的具体原理为，本实用新型的抑霜除霜机理利用微槽和纳米刃状拓扑结构实现冷凝液滴的空间尺寸错配，阻断了冰桥的成型，从而降低了霜层的覆盖率和促进了融霜过程，其中微米尺度的圆弧槽结构，使槽峰位置处的局部蒸气压梯度大于槽谷处，液滴将会率先在槽峰处冷凝生长；而压实率极低的纳米刃状结构，会驱动液滴发生“自发弹跳”现象，进一步减小了槽谷处液滴的平均尺寸。
25.因此，槽峰处较大的液滴将会在过冷条件下形成较大的冰晶，并源源不断地吸收周围液滴挥发出的水蒸气。当槽谷处较小的液滴无法为连接液滴与冰晶之间的冰桥提供所需的水蒸气时，液滴将在冻结前逐渐蒸发缩小甚至完全挥发，从而阻碍冰霜在槽谷表面上的传播并形成干燥区，从而达到降低霜层覆盖率并促进融霜的目的。
26.本实用新型中做了两项主要改动：第一，无需超净室和光刻设备，直接在金属基底表面加工微纳米拓扑结构；第二，表面设计同时具有抑霜和除霜性能，适用范围广。本实用新型适用于以铜、铝或铝合金为基底材料的各种类型的管翅和微通道等换热器。与现有技术相比，本实用新型具有以下有益效果：
27.1、冷凝结霜过程中，有效降低霜层覆盖率；
28.2、融霜过程中，能大幅减少表面残液量，避免产生二次结冰；
29.3、属于被动抑霜除霜方案，仅需表面修饰，无需改变换热器结构，无需消耗额外的机械功或是热能；
30.4、表面加工方法简单经济，适用于各种类型的管翅式和微通道换热器等类型，可以量化生产，具有相当的实用价值与经济意义，可运用于车载热泵、冰箱和冷库等场合。
附图说明
31.图1、图2为本实用新型抑霜除霜超疏水表面结构的加工过程示意图；
32.图3为抑霜除霜超疏水表面结构抑制冰桥形成(霜层传播)的原理示意图；
33.图4为抑霜除霜超疏水表面结构在实际应用中降低冰霜覆盖率的效果示意图；
34.图中：1
‑
光滑纯铜片；2
‑
具有微米级圆弧槽阵列的试样；3
‑
丙酮溶液；4
‑
超声波清洗机；5
‑
混合碱液；6
‑
具有微纳米二级拓扑结构的试样；7
‑
等离子清洗机；8
‑ꢀ
气阀；9
‑
真空泵；10
‑
真空罐；11
‑
液态全氟辛基三氯硅烷；12
‑
锡纸；13
‑
冷凝液滴； 14
‑
冻结液滴；15
‑
枝状冰晶；16
‑
超疏水试样。
具体实施方式
35.下面结合附图和具体实施例对本实用新型进行详细说明。本实施例以本实用新型技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本实用新型的保护范围不限于下述的实施例。
36.实施例
37.以一块2mm厚，4
×
4cm2的光滑铜片试样为例，超疏水试样16的制备过程如图1、图2所示。
38.步骤(1)：取一块2mm厚，4
×
4cm2的光滑纯铜片1，通过微机械加工的方法在镜面表面上加工出具有120
°
圆心角，500μm弧长的圆弧槽阵列，得到具有微米级圆弧槽阵列的试样2。
39.步骤(2)：将步骤(1)加工完成的具有微米级圆弧槽阵列的试样2完全浸泡在丙酮溶液3中，通过超声波清洗机4进行10分钟的超声清洗。随后，依次使用异丙醇(ipa)、去离子水将经过超声波清洗的试样冲洗干净，并用干净的氮气进行干燥。
40.步骤(3)：将经过步骤(2)处理干净的具有微米级圆弧槽阵列的试样2浸泡在96
±
3℃的naclo2，naoh，na3po4·
12h2o，去离子水(3.75:5:10:100wt％)的混合碱液5中30分钟，以获得一层刃状的纳米结构；随后将具有二级拓扑结构的试样6从碱液中取出，用去离子水冲洗干净，并用干净的氮气进行干燥。
41.步骤(4)：将步骤(3)中得到的具有二级拓扑结构的试样6放入等离子清洗机7中进行长达2小时的氧等离子清洗。等离子清洗过程结束后，需要立即将具有二级拓扑结构的试样6放在真空罐10中，并将4μl的液态全氟辛基三氯硅烷11 放在锡纸12上，使用真空泵9抽真空30分钟，将真空罐10内的压力维持在10kpa。随后关闭真空泵9与气阀8，使试样在10kpa的压力下继续维持30分钟，以形成稳定的超疏水涂层。
42.如图3、4，本实用新型工作原理描述中抑制冰桥形成(霜层传播)的原理示意图，以及表面在实际应用中降低冰霜覆盖率的效果。本实用新型表面设计的抑霜除霜机理，主要
利用微槽和纳米刃状拓扑结构实现冷凝液滴13的空间尺寸错配，阻断了冰桥的成型，从而降低了霜层的覆盖率和促进了融霜过程，其中微米尺度的圆弧槽结构，使槽峰位置处的局部蒸气压梯度大于槽谷处，液滴将会率先在槽峰处冷凝生长；而压实率极低的纳米刃状结构，会驱动液滴发生“自发弹跳”现象，进一步减小了槽谷处液滴的平均尺寸。
43.因此，槽峰处较大的冷冻液滴14将会在过冷条件下形成较大的枝状冰晶15，并源源不断地吸收周围液滴挥发出的水蒸气。当槽谷处较小的冷凝液滴13无法为连接液滴与冰晶15之间的冰桥提供所需的水蒸气时，液滴将在冻结前逐渐蒸发缩小甚至完全挥发，从而阻碍冰霜在槽谷表面上的传播并形成干燥区，从而达到降低霜层覆盖率并促进融霜的目的。
44.上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用实用新型。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本实用新型不限于上述实施例，本领域技术人员根据本实用新型的揭示，不脱离本实用新型范畴所做出的改进和修改都应该在本实用新型的保护范围之内。