發(fā)布時間：2020-11-06 18:42

　　 在生物樣件表面的微觀結構和化學元素組成的共同作用下,生物體表面具有了超疏水性質。隨著對超疏水表面的深入研究,研究人員發(fā)現其可以延遲樣件表面結冰。受此啟發(fā),我們成功的利用仿生學原理和高速線切割加工方法制備了具有防結冰性能的超疏水表面。在這個過程中,我們主要完成了以下幾項工作。通過對比分析荷葉、葦葉、三葉草和美人蕉葉片四種生物樣件表面靜止液滴在樣件表面的接觸角和滾動角以及運動液滴在樣件表面的接觸時間,我們選取了荷葉和三葉草作為制備具有防結冰性能的超疏水表面的生物樣本。受三葉草表面的超疏水性的啟發(fā),我們在7075Al表面通過高速線切割機床二次放電加工方法制備了粗糙表面。在不經過化學處理的基礎上,通過這種方法制備的表面具有超疏水性和防結冰性能。此外,為驗證樣件表面防結冰性能的耐久性,我們對空白樣件表面,化學改性樣件表面,和二次放電加工樣件表面進行了摩擦磨損實驗。液滴在二次放電加工樣件表面的摩擦磨損實驗前后的結冰時間分別為177s和157s,液滴在空白樣件表面的摩擦磨損實驗前后的結冰時間分別為110s和108s,液滴在化學改性樣件表面的摩擦磨損實驗前后的結冰時間分別為173s和130s。相關研究證明利用二次放電加工方法制備的超疏水表面的防結冰性能不僅能夠抵抗一定的機械強度,而且能夠在室溫環(huán)境下很長一段時間能保證防結冰性能不喪失,具有時間尺度上的耐久性。我們成功的利用一種環(huán)境友好,價格低廉,高效的二次放電加工方法制備了具有耐久的防結冰性能的超疏水表面。根據具有超疏水性的荷葉表面的微觀結構,我們利用高速線切割方法制備了具有防結冰性能的超疏水表面結構。冰滴在空白樣件和荷葉仿生樣件表面的形狀為鋪展狀和球狀。荷葉仿生樣件表面具有結冰延遲功能,且結冰延遲功能隨著液滴的體積的增加而增大。冰滴在空白樣件表面和荷葉仿生樣件表面的粘附強度分別為587±10KPa和168±8KPa,荷葉仿生樣件表面可以減小粘附強度。基于VOF和凝固融化模型,通過Fluent 15.0模擬靜止液滴在空白樣件表面和不同溫度的仿生樣件表面的靜態(tài)結冰過程,結果表明液滴的結冰時間隨表面溫度的變化規(guī)律呈現指數分布。此外,結合實驗和模擬兩種手段,我們分析了運動液滴撞擊水平低溫表面的過程,結果表眀,相較于空白樣件表面,液滴在荷葉仿生樣件表面的鋪展直徑較小和接觸時間較短。從靜止液滴和運動液滴兩個角度證實了所制備的荷葉仿生樣件表面具有防結冰性能�？紤]到荷葉仿生樣件表面的實際應用,我們基于VOF模型模擬了液滴撞擊30°,45°,60°樣件表面的過程。傾斜樣件表面上液滴的接觸時間均小于10ms,且鋪展直徑更小,進一步強化了樣件表面的防結冰性能。仿生荷葉結構具有優(yōu)良的防結冰性能和超疏水性。在本篇文章中,我們基于荷葉和三葉草兩種生物樣件表面的微觀結構成功制備了具有防結冰性能的超疏水表面。兩種仿生結構的制備方法簡單,效率較高,且由于不需要進行化學處理,制備方法綠色環(huán)保,因而具有很大的推廣應用的潛力。
【學位單位】：吉林大學
【學位級別】：碩士
【學位年份】：2019
【中圖分類】：Q811;TB306
【部分圖文】：

吉林大學碩士學位論文數出發(fā)對液滴的結冰特性的影響進行分析歸納，對所制備的具有防結冰性能的超疏水表面的實際應用進行初步的探索。1.2 仿生學的基本思想1960 年，斯蒂爾博士把仿生學定義為，模仿生物原理來建造技術系統，或者使人造技術系統具有類似于生物特征的科學(31)。在 2004 年，路甬祥院士(32)曾提出，“仿生學是研究生物系統的結構、形狀、原理、行為以及相互作用，從而為工程技術提供新的設計思想、工作原理和系統構成的技術科學�！鳖櫭�思義，仿生學主要有三部分組成，生物模本，仿生樣件，以及仿生學的設計和制造方法(33)。簡言之，就是利用仿生學的基本原理（如圖 1.1）及相關知識將生物所具有的功能轉化為為人類服務的科學技術產品。

第 1 章 緒論人員曾在座頭鯨的鰭狀肢邊發(fā)現了壘球大小的球形結節(jié)，他們可令鯨魚快速在海洋中移動(36)。根據這種原理，為風扇邊緣設計類似的突起結構，令其空氣動力學效率比標準設計提升 30%左右(37)。基于這一理論，當在在風力渦輪機上增加一些結節(jié)，也可大大提高渦輪機的效率(38)。

4圖 1.3 自然界的超疏水表面1.3 超疏水表面的相關理論基礎水的接觸角大于 150°，滾動角小于 10°的表面被定義為超疏水表面(56-61)。如之前提到的，超疏水表面具有自清潔能力，耐腐蝕性和防結冰性能等優(yōu)良性能，如果能夠將超疏水表面推廣應用，將會給我們現有的生活帶來巨大的變化。因而，理解表面的潤濕性的相關機理至關重要。該部分我們將主要介紹固體表面的潤濕過程，以及固體表面的接觸角模型對超疏水表面的相關理論進行簡單敘述。1.3.1 潤濕過程在固-液接觸的過程中，潤濕形態(tài)可以分為沾濕，浸濕和鋪展三種狀態(tài)(62)。
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本文編號：2873519