一种具有超低冰粘附强度的仿白车轴草表面及其制备方法和应用

本发明属于防/除冰，具体为一种具有超低冰粘附强度的仿白车轴草表面及其制备方法。

背景技术：

1、在寒冷的冬季，固体表面覆冰现象普遍存在，冰的积聚会干扰风力发电机叶片、飞机机翼和电气设备的运行，给人们的生产和生活带来很大的不便，甚至威胁到人们的生命健康安全。如何高效、快速地去除固体表面积聚的冰已成为人们关注的重要问题。现有的防/除冰技术主要有化学除冰、机械除冰，热力除冰等，但这些除冰技术普遍存在环境不友好、效率低、能耗大的缺点。

2、利用超疏水表面防/除冰是近年来的新兴技术。仿生超疏水界面由于其高的水接触角及低的液体粘附性而被广泛报道用于防/除冰领域，然而，由于低温下超疏水状态的不稳定性，液滴极易穿过空气垫，充分浸润到微孔结构内部，从cassie-baxter状态向wenzel状态转变，产生结冰自锁现象，使得冰粘附力增大，失去防/除冰的效果。因此，设计一种理想的cassie-baxter状态稳定的超疏水表面并赋予其超低冰粘附特性仍然是一个挑战。

技术实现思路

1、自然界中许多生物为了适应生存进化形成了具有特殊润湿性功能界面。研究发现，白车轴草是一种分布广泛的草本植物，叶片上表面微纳分级结构和低表面能蜡质层的存在，使其呈现出类似荷叶的超疏水低粘附特性，可在积雪覆盖下安全越冬，具有极强的耐寒性。受此启发，本发明通过设计一种仿白车轴草的超疏水表面来解决上述问题。

2、针对现有的低温下超疏水状态的不稳定性易导致较高的冰粘附性问题，本发明目的通过以下技术方案来实现：

3、一种具有超低冰粘附强度的仿白车轴草表面，包括基底，所述基底的表面通过仿制白车轴草的叶片呈微纳分级结构，所述表面上设有均匀分布的周期性微孔，所述微孔的边缘及内壁随机分散有大小不一的微团状结构，所述微孔及微团状结构的表面紧密排列有亚微米级片状结构；所述表面经过氟化改性，呈现超疏水性和疏冰性。

4、优选的是，所述基底为铝片或铝合金片，厚度为大于100μm。

5、优选的是，所述微孔的大小相同，微孔直径为24～30μm，微孔深度为19～37μm，微孔中心间距为26～33μm。

6、优选的是，所述微团状结构的直径为1～6μm。

7、优选的是，所述亚微米级片状结构的宽度为100～400nm。

8、一种具有超低冰粘附强度的仿白车轴草表面的制备方法，步骤如下：

9、s1、利用飞秒激光在基底的表面加工出大小和间距相同的周期性微孔，获得分布有圆形微孔和团状结构的表面；所述飞秒激光的激光束垂直于表面，激光束在表面以平行方式进行逐点扫描；

10、s2、利用沸水处理的方式，将经s1处理后的基底的表面在120℃的沸水中浸泡一定时间，获得在表面密集分布的亚微米级片状结构；

11、s3、对经s2处理后基地的表面进行表面氟化处理，使其修饰成具有超疏水性的表面。

12、优选的是，所述激光的光斑直径为14μm，脉冲能量为40～70mw，扫描时间为14000～32000μs。

13、优选的是，所述沸水处理时间为30～120min。

14、优选的是，所述表面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。

15、本发明还提供了一种具有上述的具有超低冰粘附强度的仿白车轴草表面的铝合金蒙皮及其在风力发电机叶片防冰除冰中的应用。

16、优选的是，所述铝合金蒙皮设置在风力发电机叶片的表面。

17、优选的是，将具有超低冰粘附强度的仿白车轴草表面的铝合金蒙皮粘贴在风力发电机模型叶片上，将风力发电机模型叶片放置在不断喷雾的冰箱中，模拟低温高湿度的环境，开启风力发电机模型，使叶片匀速转动，验证本发明提供的具有超低冰粘附强度的仿白车轴草表面在风力发电机中防冰防霜领域的效果；

18、优选的是，将具有超低冰粘附强度的仿白车轴草表面的铝合金蒙皮粘贴在风力发电机模型叶片上，取一滴10μl的超纯水滴在铝合金表面上，并将其放置在冰箱中，使液滴完全冻结成冰，随后，开启风力发电机模型，使叶片匀速转动，验证本发明提供的具有超低冰粘附强度的仿白车轴草表面在风力发电机中疏冰除冰领域的效果。

19、本发明提出的一种具有超低冰粘附强度的表面及其制备方法，至少包括以下有益效果：

20、本发明提供的超低冰粘附强度的表面的制备方法，仿照白车轴草的超疏水低粘附特性，采取飞秒激光加工结合沸水处理的方式，在铝合金片上制备出形貌精确可控的分级微纳结构，最后经氟化改性使表面呈现超疏水性。分级微纳结构使微液滴在冷凝时，呈现分级冷凝现象，小液滴不断向上汇聚成较大的液滴，确保低温下表面的cassie-baxter状态的稳定性，从而实现良好的疏冰效果，达到超低冰粘附强度。

21、本发明利用前沿的仿生学原理，制备过程简单，成本低廉，结构可精确调控，可同时实现良好的防冰和除冰效果。在防冰方面，表面在失去超疏水性之前，微液滴一直保持cassie-baxter状态稳定性，cassie-baxter状态下存在的空气垫降低了表面与微液滴之间的传热，延缓了微液滴在表面的结冰时间，最长结冰延缓时间可达4h；在除冰方面，表面的冰粘附强度最低为1.08kpa，超低的冰粘附强度使得覆冰表面在倾斜一定角度下运动时，能很快从表面滑落去除。同时，该结构表面可多次重复使用，在风力发电机叶片等的防/除冰领域具有重要的应用价值。

22、本发明的其它优点、目标和特征将部分通过下面的说明体现，部分还将通过对发明的研究和实践而为本领域的技术人员所理解。

技术特征：

1.一种具有超低冰粘附强度的仿白车轴草表面，包括基底，其特征在于，所述基底的表面通过仿制白车轴草的叶片呈微纳分级结构，所述表面上设有均匀分布的周期性微孔，所述微孔的边缘及内壁随机分散有大小不一的微团状结构，所述微孔及微团状结构的表面紧密排列有亚微米级片状结构；所述表面经过氟化改性，呈现超疏水性和疏冰性。

2.根据权利要求1所述的具有超低冰粘附强度的仿白车轴草表面，其特征在于，所述基底为铝片或铝合金片，厚度为大于100μm。

3.根据权利要求1所述的具有超低冰粘附强度的仿白车轴草表面，其特征在于，所述微孔的大小相同，微孔直径为24～30μm，微孔深度为19～37μm，微孔中心间距为26～33μm，所述微团状结构的直径为1～6μm；所述亚微米级片状结构的宽度为100～400nm。

4.一种根据权利要求1～3任一项所述的具有超低冰粘附强度的仿白车轴草表面的制备方法，其特征在于，步骤如下：

5.根据权利要求4所述的具有超低冰粘附强度的仿白车轴草表面的制备方法，其特征在于，所述激光的光斑直径为14μm，脉冲能量为40～70mw，扫描时间为14000～32000μs，所述沸水处理时间为30～120min。

6.根据权利要求5所述的具有超低冰粘附强度的仿白车轴草表面的制备方法，其特征在于，s3中，所述表面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。

7.一种具有如权利要求1～3任一项所述的具有超低冰粘附强度的仿白车轴草表面的铝合金蒙皮及其在风力发电机叶片防冰除冰中的应用。

8.根据权利要求7所述的具有超低冰粘附强度的仿白车轴草表面的铝合金蒙皮在风力发电机叶片防冰除冰中的应用，其特征在于，所述铝合金蒙皮设置在风力发电机叶片的表面。

9.根据权利要求8所述的具有超低冰粘附强度的仿白车轴草表面的铝合金蒙皮在风力发电机叶片防冰除冰中的应用，其特征在于，将具有超低冰粘附强度的仿白车轴草表面的铝合金蒙皮粘贴设置在风力发电机模型叶片上，将风力发电机模型叶片放置在不断喷雾的冰箱中，模拟低温高湿度的环境，开启风力发电机模型，使叶片匀速转动，观察其防冰防霜效果；其中，模拟环境温度为-15℃～20℃，相对湿度80％～90％。

10.根据权利要求8所述的具有超低冰粘附强度的仿白车轴草表面的铝合金蒙皮在风力发电机叶片防冰除冰中的应用，其特征在于，将具有超低冰粘附强度的仿白车轴草表面的铝合金蒙皮粘贴设置在风力发电机模型叶片上，取一滴10μl的超纯水滴在铝合金表面上，并将其放置在冰箱中，使液滴完全冻结成冰，随后，开启风力发电机模型，使叶片匀速转动，观察其疏冰除冰效果。

技术总结
本发明提供了一种具有超低冰粘附强度的仿白车轴草表面及其制备方法，包括分析白车轴草表面结构与超疏水抗寒性的关系；仿照白车轴草表面结构，在基底材料上采用飞秒激光直写的方式加工出周期性微孔；对周期性微孔表面进行沸水处理；对表面进行氟化处理，使其修饰成具有超疏水性的功能表面。本发明的具有超低冰粘附强度的仿白车轴草表面为微纳分级结构，包括紧密排布的较大的微米级周期性孔状结构，在微孔结构表面分散分布的较小的微米级团状颗粒，以及表面密集分布的亚微米级片状结构。所述表面具有超疏水低粘附性，冰粘附强度低至1.08kPa，静态结冰延长时间可达4h，在低温高湿度环境下，动态防霜能力长达5h，并具有良好的耐磨性和重复使用性。

技术研发人员：李国强,轩森森,刘森云,尹欢,焦越,张祖兴,宋岳干,杨益
受保护的技术使用者：西南科技大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/13