超疏水表面防冰性能研究

Icing on surfaces is very common in daily life and industry. It's a big challenge for science and technology to reveal anti-icing on surfaces. Many researches reveal that, super-hydrophobic surfaces with micro/nano structures can reduce the ice adhesion and delay icing. But, icing under complex weather conditions, such as high humidity and very low temperature, will cause the failure of anti-icing on hydrophobic surfaces. The previous researches mainly focus on chemical modification of the surfaces and aimless attempts without systematic and theoretical analysis. This project intends to establish quantitative relationship between super-hydrophobicity, water vapor condensation and water freezing based on our new findings on the formation and evolution of super-hydrophobicity and liquid motion on surfaces. This is a completely new idea. This project will combine the fabrication of micro/nano structures, systematic experiments, numerical simulations and theoretical analysis. This research will help understanding the relationship between surface super-hydrophobicity and ice-phobicity, and is expected to be a breakthrough to the icing problem.

表面结冰问题广泛存在于日常生活及工业生产中，但如何真正实现抗结冰是一个很大的科学和技术挑战，具有重大的意义。许多研究表明，具有微纳米结构的超疏水表面对于降低覆冰粘附强度、延缓结冰过程有积极作用，但实际结冰多由于湿度条件下水汽凝结或结霜所引起，导致现知超疏水方式抗结冰失效。 以往的研究重心在于表面改性和各种超疏水表面的制备和抗结冰的"炒菜式"尝试，少有提升到系统性、成理论的高度。本项目拟在超疏水形成和演化机理、液滴表面运动等方面最新的一些发现基础上，研究这些机理和运动现象与超疏水表面结冰过程的关系，特别是微纳尺度的影响。这是一个全新的研究思路。本项目将在深入系统的理论和数值模拟，与特定的超疏水微结构表面制备和大量的抗结冰实验之间，交互进行。这项研究，将帮助理解表面超疏水性与疏冰性之间的关系，并可望实现抗结冰技术的突破。

表面结冰问题广泛存在于日常生活及工业生产中，但如何真正实现抗结冰是一个很大的科学和技术挑战，具有重大的意义。许多研究表明，具有微纳米结构的超疏水表面对于降低覆冰粘附强度、延缓结冰过程有积极作用，但实际结冰多由于湿度条件下水汽凝结或结霜所引起，导致超疏水方式抗结冰失效。超疏水状态得益于液体只与固体粗糙表面的顶部接触，进而形成的气液与固液混合接触界面，这种液体的润湿状态被称为Cassie状态。但是，压力等外界扰动容易引起Cassie状态到Wenzel状态的不可逆转换，进而导致超疏水性失效。这大大降低了超疏水表面的稳定性，限制了它的应用。为解决此问题，需要制作出超疏水状态可自恢复的表面，即实现Wenzel到Cassie状态的自发转换。面对此挑战，我们通过新颖的思路，创新性的方法，以及大量的实验，率先提出单稳Cassie状态的概念，并证明了单稳Cassie状态的存在，给出了实现单稳Cassie状态的条件，讨论了Cassie状态的稳定性。.此外，我们通过实验的方法研究了蜂窝状微结构表面润湿性行为，从微结构设计到制备，从实验设施的搭建到操作，系统地构建了整个实验流程，重点研究了蜂窝状封闭单元的微结构表面润湿行为，包括静态接触角、接触状态、动态接触角、接触线钉扎以及表面液滴冷凝、结冰现象的研究。在该表面进行了结冰实验，并测量了冰的横向剪切粘附力和垂直方向的脱开粘附力。结果表明该结构表面并不能有效降低冰的粘附力，从而与我们建立的理论模型相悖。通过液滴的透镜效应，我们持续观测液滴从坐落表面结构上开始到结冰的整个过程。实验发现，液滴从降温到结冰这一段时间内，凹坑内部由于液滴表面的水汽蒸发和壁面冷凝而不断充盈微小水滴。微小水滴在与液滴表面的合并过程中存在迟滞和粘附，导致在结构的棱角处存在水的浸润。在随后的结冰过程中，该处的浸润使得冰的结构粘附大大增加，从而抑制了抗结冰效果。