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空气动力学学报 2021年第2期39卷 151-160页

作者：高淑蓉焦丽丽易孟超金佳鑫王晓东华北电力大学新能源电力系统国家重点实验室北京102206 华北电力大学工程热物理研究中心北京102206

液体防冰、电热防冰、气热防冰、机械除冰等传统的防/除冰技术具有显著的防/除冰效果,但存在消耗能源大、防冰时间有限以及除冰不彻底等问题,而基于疏水/超疏水表面的防/除冰技术则具有独特的优势。本文首先阐述了利用疏水表面和超疏水... 详细信息

液体防冰、电热防冰、气热防冰、机械除冰等传统的防/除冰技术具有显著的防/除冰效果,但存在消耗能源大、防冰时间有限以及除冰不彻底等问题,而基于疏水/超疏水表面的防/除冰技术则具有独特的优势。本文首先阐述了利用疏水表面和超疏水表面防/除冰的原理及其影响因素;然后,总结了常用的疏水表面和超疏水表面在防/除冰中存在的问题,并指出利用液滴的反弹特性可更加有效地抑制结冰;最后,提出未来有必要对撞击液滴的动力学过程、传热过程和结冰过程的耦合特性进行系统研究,进而为利用液滴的反弹特性抑制结冰提供一定的理论指导。

关键词：防/除冰原理疏水/超疏水表面液滴影响因素反弹特性

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基于微肋板伸缩疏水/超疏水表面设计及其润湿性调控

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机械工程学报 2017年第5期53卷 167-174页

作者：李小磊张磊马晓雯张会臣大连海事大学交通运输装备与海洋工程学院大连116026

利用组装的方法制备了具有微肋板结构且肋板高度可调控的表面,利用自组装分子膜技术对表面进行低表面能修饰,利用机械式调控方法改变疏水/超疏水表面微肋板高度,实现表面润湿性调控。结果表明:设计的疏水/超疏水表面可通过机械式调控方... 详细信息

利用组装的方法制备了具有微肋板结构且肋板高度可调控的表面,利用自组装分子膜技术对表面进行低表面能修饰,利用机械式调控方法改变疏水/超疏水表面微肋板高度,实现表面润湿性调控。结果表明:设计的疏水/超疏水表面可通过机械式调控方法实现表面润湿性调控,且可实现连续调控。具有微肋板结构表面的接触角具有各向异性,液滴在垂直于微肋板方向上的接触角大于平行于微肋板方向上的接触角。基于机械式调控方法,在垂直于微肋板方向上,表面润湿性实现了弱疏水到强疏水甚至超疏水的可逆调控,平行于微肋板方向上的调控效果相对较弱。微肋板的最佳组合可在116.2°~151.4°范围内实现润湿性调控,通过改变微肋板高度可控制表面接触角为这一范围内的任意值。

关键词：表面润湿性疏水/超疏水表面机械式调控

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光热型超疏水表面防覆冰性能研究

光热型超疏水表面防覆冰性能研究

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作者：李怡达华北理工大学

学位级别：硕士

结冰是自然界中的一种常见现象,广泛存在于制冷、热泵和航空航天等领域,但是冷表面的覆冰会给人们的正常生活带来严重的危害,传统的除冰方式又存在诸多弊端,因此探索一种新型的防覆冰方法十分重要。针对超疏水表面制作成本偏高,制作过... 详细信息

结冰是自然界中的一种常见现象,广泛存在于制冷、热泵和航空航天等领域,但是冷表面的覆冰会给人们的正常生活带来严重的危害,传统的除冰方式又存在诸多弊端,因此探索一种新型的防覆冰方法十分重要。针对超疏水表面制作成本偏高,制作过程繁琐的缺点,提出在一般疏水涂料中分别引入碳纳米管和石墨烯两种新型纳米颗粒,以简单的喷涂方式,在表面构筑微纳米结构,制备出防冰抑霜性能优良的新型疏水表面。在自然对流条件下,开展了在不同实验环境下对两种新型疏水表面的防覆冰性能研究,研究结果表明两种新型疏水表面在多种实验条件下均表现出较好的抑霜性能,并通过实验分析,得到抑霜效果最佳的纳米颗粒的添加比例。为了更清晰地观察新型疏水表面上液滴的冻结过程,人为将较大尺寸的液滴滴在冷表面上,当冷面温度为-12℃时,和裸铜表面相比,两种新型疏水表面分别可将液滴冻结的时间延迟6倍和6.5倍。最后从拉普拉斯力角度对新型疏水表面的防霜机理进行分析。针对超疏水表面在极端条件下防覆冰性能减弱的问题,采用尺寸更小的疏水型纳米二氧化硅做辅助剂,并采用两步喷涂法,在表面预喷涂环氧树脂后再喷涂超疏水涂料,使用石墨烯作为光热材料,制备出接触角高达160.5°和159.8°的石墨烯光热超疏水表面。该表面不仅有着很强的防覆冰的能力,而且在808 nm近红外光照射下表现出极强的光热转换性能,可以起到快速除冰的作用。实验过程中还发现,低光照强度下光热超疏水表面形成的霜枝有着明显的背光生长特性。最后对光热超疏水表面的抑霜性能和光热性能进行理论分析,从电荷转移特征和光热电泳力等方面对低光照条件下光热超疏水表面上的霜晶形态特征进行分析。进一步开展了光热超疏水涂料的实用性研究。将石墨烯光热超疏水涂料喷涂在小型空气源热泵机组的蒸发器翅片上,测试配有普通铝翅片和配有光热超疏水翅片的热泵机组的实际运行情况。在0℃和-5℃两个工况下,光热超疏水翅片上的结霜量与普通铝翅片相比明显减少,霜层高度降低了55%和20%,对结霜条件下两个机组的运行性能进行测试,配有光热超疏水翅片的热泵机组将COP分别提高了12.3%和19.8%,将蒸发器与环境的换热温差分别提高了1.1℃和0.9℃。图86幅;参70篇。

关键词：疏水/超疏水表面喷涂法碳纳米管石墨烯光热效应

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改性有机聚硅氮烷的制备及其在稳定的疏水涂层构建中的应用

改性有机聚硅氮烷的制备及其在稳定的疏水涂层构建中的应用

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作者：罗南辉华南理工大学

学位级别：硕士

在疏水表面或涂层的构建中,一个普遍存在的问题是,用作表面修饰物的低表面能物质与基材的相互作用较弱,以至于所制备的表面或涂层的稳定性和耐久性难以满足实际应用的要求。针对这一共性问题,我们提出基于可用作锚分子的有机聚硅氮烷(OP... 详细信息

在疏水表面或涂层的构建中,一个普遍存在的问题是,用作表面修饰物的低表面能物质与基材的相互作用较弱,以至于所制备的表面或涂层的稳定性和耐久性难以满足实际应用的要求。针对这一共性问题,我们提出基于可用作锚分子的有机聚硅氮烷(OPSZ)优异的锚固作用,构建稳定的疏水性涂层的新策略。在这一工作中,通过对OPSZ的化学改性,设计与合成了兼具优异的锚固作用和疏水性的改性OPSZ,并构建了若干系列以改性OPSZ为涂覆材料主体的疏水性涂层。利用现代测试技术对所构建涂层的表面化学组成、微观结构形貌、润湿性和物理机械性能进行了表征和分析,并考察了涂层的易清洁性和耐久性等。基于对测试结果的对比分析,建立了涂层的组成-结构-性能关系。本研究的主要内容及其结果如下所述。(1)利用正十六醇(CA)、正十二醇(DA)、正辛醇(OA)和甲醇(MA)分别与六甲基二异氰酸酯(HDI)的缩合反应,合成了4种不同结构的长链烷基化合物CA-HDI、DA-HDI、OA-HDI和MA-HDI。以全氟聚醚甲醇(PFPE)、乙烯基MQ硅树脂(MQ)、所合成的长链烷基化合物和异氰酸乙酯(EI)为OPSZ的修饰物,分别在适宜的反应条件下成功地合成了三类带不同疏水链的改性OPSZ,即OPSZ-PFPE、OPSZ-MQ、烷基化合物修饰的改性OPSZ及其对照OPSZ-EI。以玻璃(Glass)为基材,不同的改性OPSZ和OPSZ为涂覆材料,并选择不同的无机物如硅藻土(DE MPs)、Si O纳米粒子(Si ONPs)、烟灰(CS)和碳纳米管(CNTs)为添加剂,在基材表面分别构建了相应的改性OPSZ涂层及其对照涂层OPSZ@Glass,以及不同组成的改性OPSZ/无机材料复合涂层,即OPSZ-PFPE-5@DE/Si O@Glass、OPSZ-DA-HDI-3@DE/Si O@Glass和OPSZ-MQ-5@CDC@Glass。(2)所构建的改性OPSZ涂层和改性OPSZ/无机材料复合涂层对基材的附着力等级均为0级;改性OPSZ涂层具有与对照涂层OPSZ@Glass较接近的高硬度和相当的透光性。其中,OPSZ-PFPE涂层的表面硬度最高,均为3 H或4 H,且具有良好的耐溶剂擦拭性、耐热性和热稳定性。(3)所构建的OPSZ-PFPE涂层、OPSZ-MQ涂层和烷基化合物修饰的改性OPSZ涂层的表面WCA分别在107.6°～110.7°、106.7°～109.5°和93.1°～110.4°之间,均高于对照涂层OPSZ@Glass表面的WCA(92.7°);且随着改性OPSZ中PFPE或MQ含量的增加,或其所带烷基侧链长度的延展,所构建的改性OPSZ涂层可具有更高的WCA。所构建的改性OPSZ/无机材料复合涂层具有呈多层次微纳结构的粗糙表面,其WCA远高于相应的改性OPSZ涂层,均接近或达到了超疏水。对DE/Si O的总量一定的复合涂层OPSZ-PFPE-5@DE/Si O@Glass和OPSZ-DA-HDI-3@DE/Si O@Glass,其WCA分别在152.8°～161.8°和151.4°～159.8°之间,滚动角SA分别在2.5°～8.7°和3.4°～9.4°之间;对CS/DE/CNTs(CDC)质量比一定的复合涂层OPSZ-MQ-5@CDC@Glass,其WCA和SA分别在146.9°～158.6°和4.2°～8.3°之间。随着复合涂层中Si O或CS/DE/CNTs含量的增加,涂层表面的WCA和SA分别呈增大和减小的趋势。(4)通过油笔划痕-擦拭试验和污染物清除试验考察和评价所构建涂层的表面易清洁性能。结果表明,以涂层OPSZ@Glass和空白玻璃为对照,改性OPSZ涂层和改性OPSZ/无机材料复合涂层均具有优异的易清洁性能。(5)通过砂纸摩擦试验、酸碱浸泡试验和紫外光(UV 313 nm)老化试验评价改性OPSZ/无机材料复合涂层表面的力学强度、耐化学品性能和耐紫外老化性能。研究表明,复合涂层OPSZ-DA-HDI-3@DE/Si O-5@Glass经15个磨擦循环或在不同的酸碱溶液浸泡24 h后,其WCA仍能分别维持在146.1°左右和155°以上,表现出对外力和化学品的良好的稳定性;此外,OPSZ-MQ涂层在紫外光照射24 h后,表面的WCA仅比照射前下降了0.4°～1.4°,表现出良好的耐紫外老化性能。(6)含光热材料CNTs的复合涂层OPSZ-MQ-5@CDC-4@Glass在阳光照射30 s和180 s后会明显变热,其表面温度会从26.6°C分别升至40.5°C和55.4°C左右;在阳光照射下,放在该涂层上的冰块的融化时间比在作为对照的玻璃表面缩短了4～5 min,仅为10 min。这一结果证明CNTs可赋予涂层一定的光热性能和光热融冰性能。这一工作无疑为解决疏水性涂

关键词：疏水/超疏水表面有机聚硅氮烷锚固作用低表面能物质微纳米粒子

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