一种具有长条脊阵列结构的防霜表面

1.本发明属于防冰功能材料领域，涉及一种具有长条脊阵列结构的防霜表面。


背景技术：

2.低温高湿环境中固体表面结冰结霜的现象广泛存在于自然界和人们日常生活中，严重的积冰灾害也威胁着飞机、船舶、风力发电机和输电线路等基础设施的安全高效运行。近年来，基于荷叶效应的超疏水表面和基于猪笼草效应的超滑表面被广泛用于防冰功能表面的设计中。例如超疏水表面上低表面能物质增大了冷凝液滴的形核能垒减少了表面的气-液/固形核，以及降低对水滴的粘附促进过冷水的脱落；超滑表面上因低表面能润滑油膜的存在而具有显著延迟冻结和极低的冰粘附性。然而在复杂的自然环境下，微纳液滴会不可避免的在上述表面积聚并冻结成冰，并且液滴间冻结波的扩散导致表面形成连续覆盖的冰霜是大多数防冰表面的最终命运。
3.研究发现，在-40℃以下时表面的液滴会几乎同时发生冻结，而-40℃到冰点的温度范围内，通常是某个液滴冻结后由液滴间的冰桥连接行为(即液滴间冻结波的扩散)引起其余液滴冻结，并导致最终的表面连续覆冰。冰桥的连接行为源于冰的吸湿性：相比同温度下过冷水滴，冰的表面具有更低的饱和蒸气压，因而两者之间产生了蒸气压梯度以驱动过冷水滴蒸发并凝华在冰滴上，形成不断向液滴方向延伸生长的冰桥。冰的吸湿性促进了冰桥在液滴间的链式扩散而引起整个表面的冻结，但冰的这一特性也能被用来抑制冰霜在表面的连续覆盖。研究人员在基底上构建包含促进冰成核物质的图案化条纹，在冷凝液滴仍处于早期生长阶段时基底上已经形成“牺牲冰条纹”，在合适的冰条纹间距下，冰的吸湿作用能够促进周围的液滴全部蒸发形成干燥的无霜区。目前构建“牺牲冰条纹”通常使用冰成核蛋白(appl.phys.lett.2018,113:153701)、聚电解质分子刷(acs nano.2020,14:5000-7)和带沟槽的微脊结构(acs appl.mater.interfaces.2018,10:32874-84)。尽管上述防霜表面在降低表面冰霜覆盖率方面取得了一定的成效，但其功能的实现依赖于脆弱的微纳结构以及表面改性等手段，不仅制备方法复杂、成本昂贵，表面的机械鲁棒性较差，防霜效果通常不具有持久性，限制了其实际应用效果。因此设计一种制造方法简单、成本低廉、坚固耐用且具有持久防霜效果的防霜表面具有重大的价值和意义。


技术实现要素：

4.本发明旨在提供一种可实现低冰霜覆盖率的持久防霜表面，在冷凝结霜过程中依靠毫米尺度的脊结构改变水蒸气的物理运动过程实现对冷凝液滴和冰霜分布的调控。本发明结合冰自身吸湿性的物理特点，在无任何外部能量输入的情况下实现表面稳定持久的无霜区的设计与应用。
5.本发明的技术方案：
6.一种具有长条脊阵列结构的防霜表面，由基底部分和表面上凸起的脊结构组成，所述的脊结构是单个脊结构或者阵列脊结构；其中，单个脊结构为长条形凸起，脊结构顶部
可以是弧面或平面，相邻脊之间的面可以是弧面或平面；脊的高度h≥0.5mm，其优选范围为2-5mm，脊的宽度0.1mm≤d≤2h，其优选范围为0.5-3mm；阵列脊结构表面为多个平行的所述的单个脊结构以固定间距布置成的阵列，适当的间距能够确保脊结构之间的基底上不结霜，相邻两个脊之间的距离l范围可选0.5-7mm。所述的防霜表面的基底部分的表面粗糙度应控制在sa≤2μm；表面润湿性应满足对水的接触角大于等于70
°
。
7.所述的防霜表面的材质导热系数应大于等于15w/(m
·
k)，例如金、银、铜、铁、铝及其合金，以及硅基/炭基材料等。
8.根据以上结构参数设计的长条脊阵列结构的防霜表面适用于表面温度-6℃到-15℃之间的场景。实际应用中需考虑环境的水蒸气过饱和度来设计脊之间的距离l，高过饱和度的环境优先选择较小的l能够实现脊之间的基底无霜效果。
9.本发明的有益效果：
10.(1)本发明设计的防霜表面实现了冷凝结霜过程中表面维持大面积无霜区的被动(无主动能源输入)防霜效果，避免了表面连续覆冰。
11.(2)本发明设计的脊结构在冷凝结霜过程中起到调节水蒸气运动的效果：冷凝阶段脊结构引导水蒸气往脊顶部运动，减少水蒸气往脊结构之间的基底区域运动；后续结霜过程中，脊结构结合其上的冰霜能够彻底阻断空气中的水蒸气进入底部区域，保证了底部区域的干燥无霜，即使底部区域有部分液滴冻结形成薄薄的冰层，该冰层因为无法得到水蒸气的补给将保持原状无法生长。
12.(3)本发明实现的无霜区能够避免表面连续覆霜而带来巨大的换热热阻，因此应用在暖通空调等换热系统中有望大幅提高换热效率。
13.(4)本发明设计的防霜功能表面实现了冷凝结霜过程中对霜的分布调控，使冰霜集中在脊结构顶部，有望与电加热除冰装置等主动除冰方法结合实现更低能耗的除冰。
14.(5)本发明设计的防霜功能表面依靠宏观尺度的脊结构改变冷凝结霜过程中水蒸气的物理运动过程实现其功能，不依赖微纳结构和表面化学改性等传统方法，因此本发明设计的宏观脊结构在根本上避免了微纳结构和表面化学改性带来的易损性，具有坚固耐用的特性。
15.(6)本发明提出的宏观脊结构设计在加工上具有方法简单、成本低廉的优点，可通过多种传统机加工如线切割、cnc铣削、电火花成型、薄板冲压和模具浇铸等方式实现。
附图说明
16.图1a是单个脊结构表面(h3d1)的冷凝结霜过程及冷凝液滴的梯度分布(表面温度tw＝-7℃，空气温度t
air
＝20℃，空气相对湿度rh＝31％)；图1b为单个脊结构表面的冷凝结霜过程示意图及无霜区面积百分比定义f＝(w-d)/w，其中w为无霜区边界线之间的距离。
17.图2a是单个脊结构表面(h3d1)结霜2h后的结果；图2b是具有阵列脊结构的表面(h3d1l4)持久防霜效果图(环境条件：tw＝-10℃,t
air
＝20℃,rh＝25％)。
18.图3是一种具有单个长条脊结构的表面结构参数示意图。
19.图4是一种具有长条脊阵列结构的表面结构参数示意图。
20.图5a是所设计表面的一种面粗糙度；图5b是所设计表面的一种表面润湿性(水接触角～100
°
)。
21.图6是h3d1脊结构以间距l＝3mm和l＝4mm阵列后在不同环境条件下的防霜效果。
22.图7a是具有不同高度h的单个脊结构表面(d＝1mm)防霜效果图；图7b是具有不同宽度d的单个脊结构表面(h＝3mm)防霜效果图。
23.图8(a)～图8(d)是本发明的几种常见脊结构阵列表面。
具体实施方式
24.以下结合附图和技术方案，进一步说明本发明的具体实施方式。
25.对于只有单个脊结构的表面，在冷凝结霜过程的冷凝阶段，脊结构的存在导致冷凝液滴优先凝结在脊的顶部形成密集分布的大液滴；同时脊结构之外的基底区域上冷凝液滴将按大小呈梯度分布，距离脊越远的区域液滴平均尺寸越大。在结霜阶段，大液滴倾向与优先结冰，冰桥在液滴间扩散，这导致脊的顶部和远离脊的基底上液滴全部冻结；而对于基底上靠近脊的区域，由于液滴尺寸呈梯度减小，液滴间相对距离增大，这导致冰桥扩散到该位置时尚未触碰液滴，液滴就已经完全蒸发形成一段较大的干燥区。在随后的结霜过程中，空气中的水蒸气因冰的吸湿作用而更倾向于直接凝华在脊顶部和基底上的结霜区，从而保持了基底上干燥区的稳定无霜(冷凝结霜过程见图1b)。
26.将单个脊结构按合适的间距阵列后可以实现只有脊的顶部结霜而基底上保持干燥无霜的效果。与只有单个脊结构表面的结霜过程相似，在冷凝阶段阵列脊结构的脊顶部优先聚集大量冷凝液滴，而脊之间的基底上液滴生长速度缓慢。在结霜阶段，脊顶部的大液滴会优先冻结成冰形成冰条纹，而冰条纹的吸湿性会促进基底上的小液滴全部蒸发凝华在脊上的结霜区。在随后的结霜过程中，脊结构上的冰条纹起到持续吸湿的作用，空气中的水蒸气更倾向于凝华在脊顶部而难以进入脊结构之间的基底上，从而保证基底部分持久稳定的无霜(见图2b)。
27.本发明实施例采用传统机加工方式(电火花线切割)在金属表面加工了具有毫米尺度的脊结构表面，后续通过简单的表面抛光处理和清洗后使表面粗糙度达到sa≤2μm，表面的水接触角大于等于70
°
即可完成制备。
28.实施例1
29.1.用solidworks软件设计如图3所示的具有单个脊结构的表面，其中脊宽选取d＝1mm，脊高选取h＝3mm；
30.2.选取足够大的紫铜块(牌号t2)，用慢走丝电火花线切割机床加工出步骤1中的样品；
31.3.将步骤2中得到的样品放入1mol/l的稀盐酸中浸泡约10s去除氧化层，再用去离子水超声清洗5min去除样品表面残留稀盐酸；
32.4.将步骤3中清洗干净的样品放入磁力抛光机中自动抛光30min，用表面三维形貌轮廓仪测量样品表面，确保粗糙度达到sa≤2μm；进行接触角测量，确保表面的水接触角大于等于70
°
(见图5a和图5b)；
33.5.图1a为实施例1中所制备的具有单个脊结构的表面在冷凝结霜过程中的防霜效果，实验条件为：表面温度tw＝-7℃，空气温度t
air
＝20℃，空气相对湿度rh＝31％。结果表明脊旁边的无霜区具有很好的稳定性，在两小时的时间里仍能保持干燥无霜(见图2a)，水蒸气无法入侵该区域。
34.实施例2
35.1.用solidworks软件设计如图4所示的具有阵列脊结构的表面，其中脊宽选取d＝1mm，脊高选取h＝3mm，选取两种脊间距，分别是l＝3mm和l＝4mm；
36.2.选取足够大的紫铜块(牌号t2)，用慢走丝电火花线切割机床加工出步骤1中的样品；
37.3.将步骤2中得到的样品放入1mol/l的稀盐酸中浸泡约10s去除氧化层，再用去离子水超声清洗5min去除样品表面残留稀盐酸；
38.4.将步骤3中清洗干净的样品放入磁力抛光机中自动抛光30min，用表面三维形貌轮廓仪测量使样品表面，确保粗糙度达到sa≤2μm；进行接触角测量，确保表面的水接触角大于等于70
°
(见图5a和图5b)；
39.5.图6为实施例2中所制备的具有长条脊阵列结构表面在不同的冷凝结霜条件下的防霜效果，结果表明更小的脊间距(如l＝3mm)在更广的环境参数范围内有更好的防霜稳定性，即脊之间的基底能够保持干燥无霜；同时即使在个别环境参数下，较大的脊间距(如l＝4mm)导致基底部分出现了少许结霜，但基底部分的结霜量远远少于脊顶部的结霜量，说明凸起的脊结构明显地抑制了空气中的水蒸气进入基底区域，从而抑制了基底区域霜的生长。
40.6.图2b为实施例2中所制备的h3d1l4脊结构阵列表面在tw＝-10℃，t
air
＝20℃，rh＝25％的环境条件下48小时防霜效果，结果表明在持续结霜48小时后，整个表面仍维持着～34％的无霜区。
41.具有不同高度h的单个脊结构表面(d＝1mm)防霜效果图如图7a所示，结果表明h取2-5mm时无霜区面积百分比f可以达到65％-85％之间；具有不同宽度d的单个脊结构表面(h＝3mm)防霜效果图如图7b所示，结果表明d取0.5-3mm时无霜区面积百分比f可以达到50％以上；误差棒为三次重复实验的标准差。
42.本发明的几种常见脊结构阵列表面如图8(a)～图8(d)所示，其中，图8(a)的脊结构上表面为平面，且相邻脊之间的面为平面；图8(b)的上表面为弧面，且相邻脊之间的面为平面；图8(c)的上表面为平面，且相邻脊之间的面为弧面；图8(d)的上表面为弧面，且相邻脊之间的面为弧面。