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飞机结冰肿么po?飞秒激光制备表面具有有疏水图案化的抗结冰性铜微纳结构
作者:澳门皇冠    来源:皇冠体育    2019-12-17 01:04

  原标题:飞机结冰肿么po?飞秒激光制备表面具有有疏水图案化的抗结冰性铜微纳结构

  寒冷气候条件下交通工具及基础设施、能源设备等表面结冰往往难以避免,给人们造成不同程度的麻烦和损失。传统的防冰或除冰策略包括:热处理、机械除冰、化学防冰等措施;但是这些方面能耗高、效率低,而且还可能带来环境污染。近来,基于仿生原理采用表面工程构筑防覆冰涂层实现高效被动防冰成为当前领域的研究热点。为避免超疏水涂层结冰后伴随着的冰晶锚定作用,科学家将研究焦点转移到自润滑防冰涂层(SLIPS),以显著延迟表面结冰及降低表面冰层粘附力。同时,研究发现具备疏水/亲水图案化的涂层表面展现出优异的防冰效果,但是该方面的研究相对较少。

  当飞机停留在地面上时,气温接近或低于0°,或者有降雨、雪、霜时,飞机表面会出现结冰现象。

  在海拔7000米以下的对流云层中,时常分布着过冷水滴,飞机穿越云层时,这些过冷水滴会撞击在飞机迎风表面,并迅速冻结,出现结冰。

  飞机的防冰与除冰是保障飞机安全的重要功能。防冰是防止飞机表面结冰,除冰是去除飞机表面已经凝结的冰,飞机防除冰比较常用的有四种方式:化学液体防冰,气热防冰,电热防冰和机械除冰。

  1、气热防冰,是将热气源导入到机翼、尾翼前沿等需要防冰的部位,防止结冰。

  2、电热防冰,是将带状、丝状或薄膜状的加热元件嵌入飞机易结冰的部位结构内部,采用通电加热的方式防、除冰。

  3、机械除冰,指在机翼前沿安装一层可膨胀的橡胶管带,平时这些管带紧贴机翼,结冰后,给管带进行充放压,产生周期性的膨胀收缩,表面的冰层会破碎,并被气流吹走。

  4、化学溶液除冰,是将防冻液喷洒到飞机结冰表面进行防冻和除冰,防冻液是冰点很低的化学液体,它们使水的冰点降低,使已形成的冰层融化,通常情况下是飞机停留在地面上产生结冰时,使用除冰车喷洒的方式进行除冰。

  除了以上四种成熟的防除冰技术外,近来,基于仿生原理采用表面工程构筑防覆冰涂层实现高效被动防冰成为当前领域的研究热点。

  设计四个受生物启发的表面。(A)光学图像,显示一片荷叶和一株猪笼草。(B)疏水杂化涂层HC和超疏水氟涂层(FC)的原理图。(C)滑混合涂层(SHC)及滑氟涂层(证监会)的原理图。

  其实大自然中的荷花、猪笼草甚至龟壳都具有疏水性,根据该原理,使用飞秒激光制备后直接形成超疏水特性的微纳结构表面,该涂层表面具有显著润湿性差异的交替区域,在实际防冰测试中展现出优异的效果,为防覆冰涂层的构筑拓展了新途径。

  首先利用飞秒激光在铜样品表面进行微纳结构制备。飞秒激光能量密度对表面形貌产生了较为显著的影响。

  图1. 从顶部和侧面的四个地形表面的扫描电镜图像。(a)微/纳米结构(MN)表面。该微结构阵列可由一个周期为∼300μm,高度为∼80μm(侧视)的棘轮组成,该纳米结构阵列可覆盖整个微结构表面,纳米结构可由直径在70~100 nm范围内的纳米毛发和∼3μm的高度(嵌体,侧视)组成。(b)纳米结构(N)表面可由直径为70~100 nm、高度为∼3μm(侧视)的相似纳米毛(镶嵌体、顶视图)组成。(c)所述微结构(M)表面可由周期性为∼260μm的棘轮和高度为∼75μm(侧视)的棘轮组成。(d)光滑(S)表面,没有任何结构。

  基于以上,实验展开温度对微结构表面低温润湿及抗结冰特性的影响研究。最长的柱表示MN-表面的冰点为∼7200±217 s(见红柱)。两个较短的柱表示N面(见绿柱)的DT为∼1740±160 s,S面的DT为∼1260±40s(见浅蓝柱)。最短柱表示M面上的DT为∼30.5±5.8s(见蓝色柱)。这意味着DTs之间的差异可归因于不同的表面结构拓扑。为了检查这些表面的鲁棒超疏水性,将这些表面的温度控制在22°C。在M-和S-表面上观察到的凝聚水液滴比N-表面上观察到的液滴多.MN-表面基本保持干燥,除了与MN-表面的初始液滴相似的参比液滴.其他参考液滴在N-,M-和S-表面上塌缩.MN表面的观测细节见图S4a-h,支持信息。当表面恢复到22°C(图S4h)时,液滴似乎向上悬浮,液滴与表面之间的不连续三相接触线基本恢复,与原始接触状态略有相似。上述观测结果表明,mn-表面具有优异的冻融性/抗结冰性能,似乎比本文或此前报道的其它表面具有更强的抗冻性。

  图2. -10°C下MN-、N-、M-和S-表面冰形成的延迟时间(DT)原位观测。(A)从左到右排列在MN-、N-、M-和S-表面上的照片。参考液滴(7μL)放置在这些表面上的温度为-10°C,所有液滴最初都是透明的(框架1)。在DT∼30.5 s后,M面(框架2)上的滴变得不透明.经过DT的∼1260 s,两个滴是不透明的,分别在M-和S-表面(框架3).在DT约为1740秒后,N面上的另一滴也是不透明的.围绕着表面边界的大冰晶出现在M-和S-表面上。但是液滴在MN表面仍然是透明的,一些水凝聚的水滴出现在MN表面(框架4).经过7000秒的DT后,液滴在MN表面(框架5)仍然是透明的.在DT为7220秒时,液滴在mn-表面(框架6)上完全不透明.(B)在零下温度为-10°C时,不同地形表面的冰形成延迟时间比较,MN-表面的DT为7220±217 s(见红柱),而N-表面的DT为1740±140 s(见绿柱);S面的DT为1260±60s(见浅蓝柱),M面aDT为30.5±5.8s(见蓝柱)。

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