【摘 要】
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水滴在航空器及输电设施表面聚集,可能会在结构件表面结冰或使电气设备短路,给人们的正常生产生活带来巨大安全隐患。主动式除冰方案虽然得到了广泛应用,但它具有耗能高,成本高和结构复杂等诸多缺点。因此,需要研究具有疏水性能的被动式防冰方案,其主要疏水机理是利用涂层技术改变固体表面化学性质或者对固体表面进行微观形貌构造,得到具有抗润湿性的疏水结构。疏水表面的微观结构可减小固液接触面积,延缓传热过程,从而推迟
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水滴在航空器及输电设施表面聚集,可能会在结构件表面结冰或使电气设备短路,给人们的正常生产生活带来巨大安全隐患。主动式除冰方案虽然得到了广泛应用,但它具有耗能高,成本高和结构复杂等诸多缺点。因此,需要研究具有疏水性能的被动式防冰方案,其主要疏水机理是利用涂层技术改变固体表面化学性质或者对固体表面进行微观形貌构造,得到具有抗润湿性的疏水结构。疏水表面的微观结构可减小固液接触面积,延缓传热过程,从而推迟液滴过冷与冻结时间,便于在高速气流的冲击下将聚集的水滴带离结构件表面。本研究基于磁流变弹性体在磁场中的受控机理,针对目前被动式疏水表面制备和使用过程中存在的价格昂贵、污染环境和性能不稳定等问题,提出在钕铁硼永磁铁形成的强磁场(270/300/330/360/390m T)室温环境中诱导固化以不同粒径的羰基铁粉(Carbonyl iron,5/10/15/20μm)作为分散相,聚二甲基硅氧烷(Polydimethylsiloxane,PDMS)作为基体配制而成的不同浓度(20%/25%/30%/35%)的磁性混合液。通过控制磁性混合液涂层固化所需的磁感应强度、磁性分散相的粒径和浓度等因素,调整微观结构中磁粒子链侧向团聚后所形成的磁致微锥的高度、宽度以及间距等参数,制备出了具有抗润湿状态的磁响应疏水表面(Magnetically responsive hydrophobic surface,MRHS)。同时,为表征样品表面的疏水性能和环境适应性,研究了样品表面粘附性、耐老化性和防结冰等特性。并在此基础上,对可能影响样品表面抗润湿效果的磁性混合液固化模板类型、涂敷方式和涂敷厚度等因素进行了系统化研究。论文水滴粘附性测试结果表明,磁响应疏水表面能明显降低模板表面水滴粘附力,使水滴在疏水表面可以以较小的角度滚落,并带走样品表面杂质,实现自清洁效果;依据《GB/T 14522-2008》人工气候老化实验方法,对磁响应疏水表面进行老化实验后,水滴静态接触角下降10°左右,水滴滚落角增加4°左右,表明磁响应疏水表面具有良好的抗老化性;使用5μL水滴在一次结构模板表面对比有无磁响应疏水表面的结冰时间,发现具有磁响应疏水表面的一次结构模板能明显延长结冰时间至少33s;磁响应疏水表面经历10次冻融循环后,液滴静态接触角衰减小于7°,整体性能基本保持平稳;磁响应疏水表面在进行机械稳定性测试前后的水滴静态接触角最大衰减值为4.4°,表明制备的磁响应疏水表面具备较强的机械稳定性;磁响应疏水表面附着力的测试等级为4B,同时又具有良好的结构适应性,通过将其移植到航模结构件表面可以实现良好的贴合。采用固定变量法,对影响样品表面疏水性能的因素进行了分析。研究发现,固化后的磁响应疏水表面由均质化磁性微锥阵列构成,有助于形成具有抗润湿性能的润湿模型。并且,低浓度磁性混合液在较弱的磁场环境中进行固化时,在经飞秒激光加工后具有规则微观结构的二次结构模板表面形成的样品微观形貌明显比一次结构模板表面形成的样品微观结构形貌构成丰富。因此,由二次结构模板表面固化形成的样品抗润湿性能明显优于一次结构模板表面固化形成的样品;将磁性混合液在模板表面以不同的涂敷方式进行涂敷,结果表明,磁性混合液在外界固化磁感应强度为270/330/360/390m T时,磁性混合液的不同涂敷方式对样品表面的疏水性能基本无影响;将磁性混合液以不同厚度涂敷到模板表面时,磁性混合液涂敷厚度为105.25μm的样品表现出最佳的疏水性能,水滴静态接触角为142.7°,当磁性混合液涂敷厚度远大于或远小于105.25μm时,都会因为单位面积内的磁性分散性粒子过多或过少,而无法被磁化为合适量的磁偶极子,进而无法构筑出最佳的润湿模型;在磁性分散性质量分数一定的条件下,只改变磁性混合液固化所需的磁感应强度,在磁感应强度达到300m T时,样品表面水滴静态接触角最高达到151.5°;在固定的磁感应强度下,改变磁性混合液的分散相粒径和配制浓度,结果表明由小粒径磁性分散相固化形成的磁响应疏水表面疏水性能更佳,达到最佳疏水效果所需的磁性混合液浓度也更高,而由不同粒径的磁性分散相制备而成的样品表面疏水性能随磁性混合液的浓度变化趋势基本相同。本论文对磁响应疏水样品的环境适应性和影响样品表面疏水性能的粘附性、耐老化性和磁性混合液固化模板类型等相关参数进行了探讨,为技术优化奠定了基础。制备的实验样品成本价低,产品生产周期短,样品制备过程对人体与环境均无害,适用于工业化生产。
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