脉冲式防除冰系统的构建及其调控机制研究

作     者：吴秋宏 

作者单位：西南科技大学 

学位级别：硕士

导师姓名：任雪潭;王山林;李信

授予年度：2023年

学科分类：08[工学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 080502[工学-材料学] 

主      题：超疏水 光/电-热效应 脉冲电压 被动防冰 主动除冰 

摘      要：结冰引起的固化冰晶及低温状态,经常给人类社会的生产生活造成严重的安全困扰和经济危害。在电力输送、航天航空、太阳能、轨道交通、发动机、能源等领域,都存在结冰引起的设备损毁报废、能量损失及安全事故等诸多方面的问题。超疏水表面因其液体排斥效应和液滴反弹特性,可以实现有效的被动防冰,但是不能彻底解决表面结冰问题。而传统的电热涂层通过其表面升温特性实现主动除冰,能够彻底解决表面结冰问题,但是伴随着巨大的能耗。因此协同被动防冰和主动除冰,高效节能地解决表面结冰问题是表面防除冰领域的重要课题之一。本文通过氟化改性技术和气动喷涂技术制备了超疏水电热复合涂层(F-CEE)和超疏水光/电-热复合涂层(SH@PET),均表现出优异的低温表面超疏水性能和低温表面光/电-热升温性能,兼具长效被动防冰和高效主动除冰特性。通过向复合涂层提供脉冲驱动电压,成功实现了被动防冰和主动除冰的协同作用,有效延长表面结冰时间,减少系统理论能耗。本工作为解决表面结冰问题提供了新的解决方案,有望应用于低温系统及设备、动力传动系统、高空飞行器等领域,具有重大的发展前景。(1)通过一步喷涂法成型了兼具表面粗糙结构和低表面能修饰的F-CEE涂层。系统研究了CNTs和PFDTES添加量对F-CEE涂层超疏水性能和导电性能的影响机制。通过FESEM、AFM验证了涂层的表面粗糙结构,通过EDS、IR、Raman和XPS验证了涂层表面的氟化改性程度。通过在不同p H值(1～13)溶液中浸泡7天,10周期高低温循环实验,500周期胶带剥离实验,500周期砂纸打磨实验,500周期砂轮磨耗实验,验证了F-CEE涂层优异的稳定性能。系统探究了F-CEE在低温环境下的表面润湿特性和表面电热升温特性,表现出长效被动防冰和快速主动除冰。当环境温度为-20℃时,F-CEE表面仍具有优异的液体排斥效应(SCA143°,RA98%)和极低的电阻率(0.059Ω·m),在低温环境下仍具有优异的表面光/电-热升温特性。当冷台温度为-20℃时,SH@PET在15V和1 sun+15 V条件下升温作用100 s,其表面温度分别升高到了83.0和97.4℃。SH@PET同时表现出被动防冰、主动防冰和主动除冰特性。对6μL水滴,SH@PET在-20℃的被动延迟结冰时间为353 s。当供给5 V电压和1 sun光照时,延迟结冰时间增加到了751和1569 s。在10 V、10 V+1 sun、15 V和15 V+1 sun条件下,SH@PET在-20℃的冷环境对6μL结冰水滴的融冰时间分别为78、75、24和23 s。在15 V(4s/100s)+1 sun协同作用下,SH@PET表面6μL水滴在-20℃的结冰时间延长到了10 h。并且,系统的理论能耗低于166.14 MJ·m·d。SH@PET(15 V(4s/100s)+1 sun)相较于F-CEE(15 V(10s/100s)),电脉冲频率从10s/100s降低到了4s/100s,降幅60.0%;延迟结冰时间从8 h增加到了10 h,增幅25.0%;理论能耗从199.37 MJ·m·d降低到了166.14 MJ·m·d,降幅16.7%。