铝合金多级结构表面超微小液滴的结晶行为及防覆冰机理研究

Based on the research foundation of bio-inspired superhydrophobic surfaces, this project aims to construct the hierarchical structures (50 nm ~ 5 μm) on aluminum alloy substrates, investigate the static and dynamic non-wetting behaviors of micro droplets (diameter 20 ~ 60 μm), and establish the corresponding interface wetting model. Subsequently, we explore the ice nucleation and growth mechanism of the super-microdroplets under the special interface wetting model, and analyze the crystallization process from the thermodynamics and kinetics. On this basis, we expect to grasp the ice nucleation initial positions and the effect mechanism of triple-phase contact line on the growth directions of ice nucleus. Finally, we study the contact and adhesive behaviors of the impact super-microdroplets on the hierarchical structure surfaces and systematically evaluate the anti-icing properties in an icing wind tunnel, laying the theoretical foundation for developing the new type of anti-icing technology.

本项目基于仿生超疏水表面的研究基础，在航空用铝合金表面首先构筑多级结构（50 nm ~ 5 μm），随后开展超微小液滴（直径20 ~ 60 μm）条件下的静态和动态非润湿行为研究，建立相应的润湿界面模型。其次，重点研究特殊润湿界面模型下超微小液滴的结冰形核和长大机制，并从热力学和动力学角度分析超微小液滴的结晶过程。在此基础上，揭示多级结构表面超微小液滴形核的初始位置和固/液/气三相接触线对冰晶核生长取向行为的影响机制。最后，基于结冰风洞条件，研究超微小过冷液滴撞击多级结构表面的接触和附着行为，并开展多级结构表面的防覆冰机理研究，为飞机主动防冰技术的开发奠定理论基础。

本项目通过电化学刻蚀、水热处理及阳极氧化等方法，于航空用铝合金表面构筑了微块-纳米线多级结构、层状多孔结构及锥状多级结构等三种多级结构(50 nm ~ 5 μm)，所设计的三种铝合金表面多级结构经氟化修饰后，展现出不同程度的低温非润湿性能，其中锥状多级结构表面的液滴静态润湿性能最优，接触角可达160.2°±0.4°，滚动角低至1°±0.5°，同时具有较高的冷凝液滴自驱离能力；而微块-纳米线多级结构的动态非润湿性能更好，针对液滴弹跳性能，其撞击接触时间短至9.8 ms。在此基础上，使用分子动力学计算模拟的方法，揭示了多级结构表面上超微小液滴的结冰形核以及长大过程的热力学、动力学机理，系统总结了冰晶核在过冷液体中的生长取向行为及固液界面接触方式，同时利用经典形核理论计算分析了多级结构对冰形核率的影响趋势和作用原理。另外，结合有限元数值模拟以及低温结冰实验，分析阐明了低温条件下超微小液滴撞击多级结构表面的接触弹跳机制。最后，项目于结冰风洞实验环境中，跟踪观察并研究了超微小液滴在多级结构表面的结冰过程，尽管所构筑超疏水表面都具有延迟结冰性能，但单极结构表面较多级结构表面的防覆冰性能更好，主要取决于参考液滴与超疏水表面微米结构尺寸关系。