[發(fā)明專利]一種基于梯度潤(rùn)濕表面的水膜流動(dòng)控制方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202010366936.1
• 申請(qǐng)日: 2020-04-30
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN113281113B
• 公開(kāi)（公告）日: 2022-10-14
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 沈一洲;陶杰;謝欣瑜;江家威;盧陽(yáng)
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 南京航空航天大學(xué)
• 主分類號(hào): G01N1/28
• 分類號(hào): G01N1/28;G01N13/00
• 代理公司: 西安瀚匯專利代理事務(wù)所(普通合伙) 61279
• 代理人: 汪重慶

本發(fā)明提供的一種基于梯度潤(rùn)濕表面的水膜流動(dòng)控制方法。通過(guò)微米加工技術(shù)在鈦合金、鋁合金等金屬基體表面構(gòu)建微結(jié)構(gòu)形成非均勻表面，依據(jù)表面非均勻特性所產(chǎn)生的梯度潤(rùn)濕性，利用固液之間的粘附力差異控制水膜從低粘附力超疏水區(qū)域流向高粘附力疏水區(qū)域，并快速向高粘附區(qū)域匯集，在無(wú)任何他外力情況下，依靠粘附力作用促使溪流形成。本發(fā)明的有益之處在于：本發(fā)明的方法采用的梯度潤(rùn)濕性表面制作過(guò)程簡(jiǎn)單、制作成本低，實(shí)現(xiàn)了利用表面特性控制水膜運(yùn)動(dòng)，能在較低溫度的條件下，控制水膜在短時(shí)間內(nèi)進(jìn)行定向的運(yùn)輸行為,在收集冷凝水、物質(zhì)驅(qū)動(dòng)等方面具有重要的應(yīng)用價(jià)值，對(duì)于發(fā)展表面疏水材料及防除冰技術(shù)研究具有重要實(shí)踐指導(dǎo)作用。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于材料界面浸潤(rùn)技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種基于梯度潤(rùn)濕表面的水膜流動(dòng)控制方法。

背景技術(shù)

飛機(jī)表面結(jié)冰物理現(xiàn)象包括過(guò)冷水滴撞擊表面、表面水膜和冰的形成及其形成過(guò)程中可能發(fā)生的蒸發(fā)、凝結(jié)和升華等過(guò)程，其中水膜流動(dòng)和演變過(guò)程直接影響表面的結(jié)冰情況，對(duì)材料表面水膜的研究是結(jié)冰機(jī)理和防除冰技術(shù)研究的前提和基礎(chǔ)。研究表明，水膜流動(dòng)和演變過(guò)程受外流壓力、重力、剪切力以及表面張力的影響，水膜受力不平衡使水膜厚度不斷變化，進(jìn)而導(dǎo)致水膜破裂，形成溪流和水珠，因此觀察并控制水膜流動(dòng)狀態(tài)對(duì)發(fā)展表面疏水材料及研究液體防冰機(jī)理具有指導(dǎo)意義。

目前，材料表面的水膜流動(dòng)研究主要集中在：①利用旋轉(zhuǎn)表面離心力控制水膜流動(dòng)并探討離心力對(duì)水膜流動(dòng)和演變的影響、②金屬表面剪切驅(qū)動(dòng)下水膜流動(dòng)情況、③飛機(jī)實(shí)際飛行過(guò)程中受氣象條件及飛行狀態(tài)影響而使機(jī)翼表面水膜流動(dòng)發(fā)生變化并產(chǎn)生演變、④葉片表面在旋轉(zhuǎn)力及其他力作用下控制水膜流動(dòng)和演變。以上研究均是在動(dòng)態(tài)環(huán)境中依靠外力控制水膜流動(dòng)和演變。然而，在不借助其他外力的情況下，僅利用表面特性控制水膜流動(dòng)和演變過(guò)程的研究鮮有報(bào)道，這種依據(jù)表面特性的控制方法能使水膜在靜態(tài)環(huán)境中得到有效控制，且具有操作簡(jiǎn)單方便的優(yōu)勢(shì)。目前，關(guān)于利用材料表面特性來(lái)控制水膜流動(dòng)和演變過(guò)程的研究鮮有相關(guān)專利及文獻(xiàn)報(bào)道。

在此，我們提出一種基于梯度潤(rùn)濕表面的水膜流動(dòng)控制方法。在較低溫度的條件下(0℃-10℃)，控制水膜在短時(shí)間內(nèi)(2-4s)進(jìn)行定向的運(yùn)輸行為。該方法有利于有關(guān)水膜流動(dòng)的研究，對(duì)于防冰表面的基礎(chǔ)研究和工業(yè)化應(yīng)用具有非常重要的理論及工程意義，在水收集、冷凝管件等領(lǐng)域具有較大的應(yīng)用潛力。

發(fā)明內(nèi)容

為了彌補(bǔ)現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提供了一種基于梯度潤(rùn)濕表面的水膜流動(dòng)控制方法，利用固液之間的粘附力差異使水膜從低粘附力的超疏水區(qū)域向高粘附力的疏水區(qū)域流動(dòng)，并促進(jìn)水膜破裂形成溪流，在收集冷凝水、物質(zhì)驅(qū)動(dòng)等方面具有重要的應(yīng)用價(jià)值，對(duì)于防冰表面的工業(yè)化應(yīng)用和基礎(chǔ)研究具有非常重要的意義。

本發(fā)明提供了一種基于梯度潤(rùn)濕表面的水膜流動(dòng)控制方法，包括以下步驟：

(1)對(duì)固體基體材料進(jìn)行切割、清洗、干燥預(yù)處理；

(2)采用微米加工技術(shù)在預(yù)處理后的材料表面構(gòu)建微結(jié)構(gòu)，并改變所述微結(jié)構(gòu)的相關(guān)參數(shù)得到具有不同粗糙度區(qū)域的非均勻樣品表面；

(3)將非均勻樣品中具有微結(jié)構(gòu)的表面朝上浸沒(méi)于含有低表面能物質(zhì)的乙醇溶液中，封上保鮮膜靜置，隨后于120℃高溫烘箱中干燥2h，得到具有梯度潤(rùn)濕性的樣品，即為成品；

(4)采用光學(xué)接觸角測(cè)量?jī)x測(cè)量所述成品表面的接觸角，并采用粘附力測(cè)試裝置測(cè)量其粘附力大小；

(5)在0～10℃的低溫條件下，采用過(guò)冷液滴連續(xù)噴射系統(tǒng)，通過(guò)噴頭在所述成品表面來(lái)回移動(dòng)，使所述過(guò)冷液滴連續(xù)撞擊所述成品表面；并用高速攝像機(jī)實(shí)時(shí)觀察和記錄所述過(guò)冷液滴到過(guò)冷水膜的形成和流動(dòng)情況，并記錄所述過(guò)冷水膜完全從低粘附力區(qū)域流入高粘附力區(qū)域或形成溪流的時(shí)間。

進(jìn)一步的，步驟(1)所述固體基體材料為金屬材料，且所述金屬材料為鈦合金、鋁合金、鎂合金、銅合金、不銹鋼之一。