一种提高光热防除冰薄膜光热效应的微纳复合结构及制备方法与流程

本发明涉及材料表面加工及防除冰领域，具体涉及一种面向提高光热防除冰薄膜光热效应的微纳复合结构及制备方法。

背景技术：

1、结冰是影响人类社会活动最常见的自然现象之一。结冰和积冰现象可能会给飞机、电网、道路交通、海洋船舶和许多其他方面带来诸多安全问题。用于处理结冰问题的传统方法，例如机械除冰、加热除冰或化学除冰，普遍面临着除冰效率低，不够绿色环保和受防除冰场地限制的挑战。人们针对液滴冻结的不同阶段，开发出无需额外能源输入的被动防除冰表面，主要包括超疏水表面(shs)和光滑液体注入多孔表面(slips)。这些被动防除冰策略都促进了防覆冰表面的发展，但仍然存在着制造工艺复杂、长期耐用性差、制备成本高等弊端，限制了其在实际生活中的应用。

2、太阳能防除冰表面(sadis)可以温和地将冰融化并去除，是一种经济高效的方法。例如，专利cn 114921190 a提供了一种柔性光热超疏水复合防冰薄膜及其制备方法，通过石墨烯纳米墙层和金纳米颗粒层的结合，能够进一步的提高石墨烯纳米墙本身具有的光热效果，使得到的光热疏水层具有较高的光热转化效率，有效达到防冰除水的效果。但是，光热材料的光热转换性能决定了温度的上限，性能优良的光热材料往往价格昂贵，如何通过改善结构提高光线利用率仍然是一大挑战。因此，亟需一种新的思路和方法来解决上述技术问题。

技术实现思路

1、本发明的目的是解决至少一个上述问题和/或缺陷，并提供至少后面将说明的优点。

2、为了实现根据本发明的这些目的和其他优点，本发明提供了一种提高光热防除冰薄膜光热效应的微纳复合结构，其设置在具有光热效应的超疏水薄膜上，包括第一光热陷阱和第二光热陷阱，所述第一光热陷阱包括均匀排列的多个微锥，所述微锥的表面随机分布有微团状颗粒，所述第二光热陷阱包括设置在微锥下方并具有高长径比的中空微柱，所述中空微柱的内壁随机分布有微米级的褶皱。

3、优选的是，所述具有光热效应的超疏水薄膜为透明柔性薄膜，包括但不限于聚二甲基硅氧烷薄膜、硅胶薄膜和橡胶薄膜。

4、优选的是，各所述微锥的高度为16～18μm，直径为20～22μm，微锥之间的中心间距为20～22μm；各所述中空微柱间呈六边形分布，中空微柱的高度为1205～1415μm，直径为300～310μm，两相邻中空微柱的间距为150.3～155.7μm；所以微锥到中空微柱的顶端的距离为到300～310μm。

5、优选的是，所述微团状的颗粒的尺寸为0.04～0.51μm，所述褶皱的尺寸宽度为6.82～29.31μm，长度为8.55～281.20μm。

6、本发明还提供一种提高光热防除冰薄膜光热效应的微纳复合结构的制备方法，包括以下步骤：

7、s1、利用飞秒激光在具有热收缩性且厚度为200μm的聚乙烯片上加工出通孔，各所述通孔呈六边形分布；

8、s2、在距离聚乙烯片10cm处使用温度为400℃的热风枪对聚乙烯片加热，使其受热收缩；

9、s3、使用薄膜材料浇筑满s2中热收缩后的聚乙烯片，转印获得微柱模板；

10、s4、对s3中得到的微柱模板喷涂脱模剂，随后将具有光热效应的薄膜材料浇筑满微柱模板，并没过微柱模板290～300μm，并将筑满具有光热效应的超疏水薄膜材料的微柱模板放入温度为80℃的干燥箱中固化2h后脱模得到光热薄膜；

11、s5、使用飞秒激光对s4获得的光热薄膜的表面进行扫描，激光光束入射方向垂直于光热薄膜表面，在光热薄膜的表面进行网格线扫描，获得微纳复合结构。

12、优选的是，所述具有光热效应的超疏水薄膜材料为掺杂有0.05wt％多壁碳纳米管的聚二甲基硅氧烷。

13、优选的是，步骤s1中，各所述通孔的直径为980.3～1012.4μm，间距为353.5～378.4μm。

14、优选的是，步骤s5中激光的光斑直径为20μm，脉冲能量为20mw，扫描速度为0.003m·s-1，扫描网格线间距为20μm。

15、本发明还提供了一种提高光热防除冰薄膜光热效应的微纳复合结构的应用，具体包括，一种具有所述微纳复合结构的光热薄膜。

16、相较于现有技术本发明至少包括以下有益效果：

17、1.本发明通过研究表面微纳结构抗反射原理和中空结构抑制热传导原理，实现表面微锥结构和薄膜内中空结构两次捕获光线，并且产生的热量在中空结构的抑制下减少损失。基于抗反射原理和热传导原理，实现通过构建复合结构提高光热薄膜的光线利用率，提高表面温度。1kw 2m-2的光照强度下，该复合结构薄膜能在120s内将温度升高到54℃以上，在-10℃环境下保持表面温度大于10℃，在600s内融化并自去除表面1.5mm厚的冰层。

18、2.本发明通过研究弹性体表面与冰接触面失稳原理，利用弹性体对冰造成微裂纹进而减少冰粘附强度，实现了无光环境下表面对冰的低粘附强度，在结冰/除冰/热恢复十个周期后，冰粘附强度为1.84±0.3kpa，增强了光热防除冰表面在无光环境中的防除冰能力，填补了光热防除冰表面在无光环境中的应用缺陷，促进了光热材料在防除冰领域的应用。

19、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，部分还将通过对本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：

1.一种提高光热防除冰薄膜光热效应的微纳复合结构，其设置在具有光热效应的超疏水薄膜上，其特征在于，包括第一光热陷阱和第二光热陷阱，所述第一光热陷阱包括均匀排列的多个微锥，所述微锥的表面随机分布有微团状颗粒，所述第二光热陷阱包括设置在微锥下方并具有高长径比的中空微柱，所述中空微柱的内壁随机分布有微米级的褶皱。

2.根据权利要求1所述的提高光热防除冰薄膜光热效应的微纳复合结构，其特征在于，所述具有光热效应的超疏水薄膜为透明柔性薄膜，包括但不限于聚二甲基硅氧烷薄膜、硅胶薄膜和橡胶薄膜。

3.根据权利要求1所述的提高光热防除冰薄膜光热效应的微纳复合结构，其特征在于，各所述微锥的高度为16～18μm，直径为20～22μm，微锥之间的中心间距为20～22μm；各所述中空微柱呈六边形分布，中空微柱的高度为1205～1415μm，直径为300～310μm，两相邻中空微柱的间距为150.3～155.7μm；所以微锥到中空微柱的顶端的距离为到300～310μm。

4.根据权利要求3所述的提高光热防除冰薄膜光热效应的微纳复合结构，其特征在于，所述微团状颗粒的尺寸为0.04～0.51μm，所述褶皱的尺寸宽度为6.82～29.31μm，长度为8.55～281.20μm。

5.一种如权利要求1～4任一项所述的面向提高光热防除冰薄膜光热效应的微纳复合结构的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

6.如权利要求5所述的面向提高光热防除冰薄膜光热效应的微纳复合结构的制备方法，其特征在于，所述具有光热效应的超疏水薄膜材料为掺杂有0.05wt％多壁碳纳米管的聚二甲基硅氧烷。

7.如权利要求5所述的面向提高光热防除冰薄膜光热效应的微纳复合结构的制备方法，其特征在于，步骤s1中，各所述通孔的直径为980.3～1012.4μm，间距为353.5～378.4μm。

8.如权利要求5所述的面向提高光热防除冰薄膜光热效应的微纳复合结构的制备方法，其特征在于，步骤s5中激光的光斑直径为20μm，脉冲能量为20mw，扫描速度为0.003m·s-1，扫描网格线间距为20μm。

9.一种如权利要求1～8所述的面向提高光热防除冰薄膜光热效应的微纳复合结构的应用。

10.根据权利要求9所述的面向提高光热防除冰薄膜光热效应的微纳复合结构的应用，其特征在于，一种具有所述微纳复合结构的光热薄膜。

技术总结
本发明公开了一种提高光热防除冰薄膜光热效率的微纳复合结构及其制备方法，所述微纳复合结构设置在具有光热效应的超疏水薄膜表面，包括第一光热陷阱和第二光热陷阱，所述第一光热陷阱包括均匀排列的多个微锥，所述微锥的表面随机分布有微团状颗粒；所述第二光热陷阱包括设置在微锥下方并具有高长径比的中空微柱，所述中空微柱的内壁随机分布有微米级的褶皱。本发明基于微纳复合结构对光线进行两次捕获产生热量，并且热量因热传递带来的损失在中空微柱的隔绝下被减小，通过构建复合结构实现了在低浓度光热材料下(0.05wt％的MWCNTs)的光热性能，为利用结构提高低浓度光热材料薄膜温度提供新的解决方法。

技术研发人员：李国强,尹欢,刘森云,轩森森,赖林,焦越
受保护的技术使用者：西南科大四川天府新区创新研究院
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15