CN113172347B - 一种复合织构金属疏冰表面及其加工方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种复合织构金属疏冰表面及其加工方法，所述疏冰表面上设有防粘织构形貌；所述防粘织构形貌为若干均布在疏冰表面上的凸台；分布防粘织构形貌的所述疏冰表面上设有速脱织构形貌；所述速脱织构形貌为交错分布在具有防粘织构形貌的所述疏冰表面上的凹坑。所述凸台为方形锥台，所述方形锥台的侧面与疏冰表面圆弧过渡；所述凹坑的横截面为半椭圆形。本发明利用加工的所述跨尺度复合微造型织构使金属表面转变为疏冰面，降低表面覆冰时冰与表面的粘结力，达到防粘、速脱以及防浸润的功效。

Description

一种复合织构金属疏冰表面及其加工方法

技术领域

本发明涉及制冰领域，特别涉及一种复合织构金属疏冰表面及其加工方法。

背景技术

结冰是自然界一种常见的自然现象，但有时对人们的生产生活造成巨大灾难。2008年，我国南方遭遇了罕见的“冻雨”灾害，导致受灾地区高压输线电路以及塔架等覆冰、拉断以及倒塌。对电力、能源、通讯等领域造成了巨大的损失，严重影响了人们的正常生活。除了结冰的危害，在生活中人们也需要制冰，如今制冰系统的需求越来越大，其中脱冰技术尤为重要，但是当前的脱冰技术方案脱冰成本高、脱冰能耗高、冰块质量差以及空间占比大等亟待解决的问题。随着表面科学的发展，表面微织构技术的应用越来越成熟，在诸多领域包括亲水、超疏水和减摩等领域已经得到广泛应用。

现有技术提供了一种铝基材表面的疏冰改性方法，通过阳极氧化处理在铝基材表面形成多个微纳米级的孔洞，在铝基材表面制造出类似于荷叶表面的结构。但是该方法的阳极氧化处理采用的是硫酸溶液和化学修饰剂溶液，会造成环境污染，同时制造效率低、表面结构不可控并且对材料有一定的限制。

现有技术提供了一种黏弹性疏冰表面，在弹性基体中掺入有机凝胶颗粒珠形成黏弹性疏冰涂层，该疏冰涂层虽然降低了冰与表面的粘结力，但是该涂层工艺复杂，加工成本高，涂层与底材的粘附力强度有限，长时间工作易脱落，应用场合受限。

现有技术提供了一种仿秦岭箭竹叶防冰雪多层不等高微纳结构，多层微纳结构为阵列排布的柱状结构体、梭型结构体、乳突状结构体和柱状纳米结构组成，采用金属、无机非金属和聚合物等材料制备。该多层微纳结构减小了冰雪与表面的黏附强度，但是该防冰结构过于复杂，不易难度大、加工成本高，无法实现自动化。

现阶段人们对疏冰的研究主要在疏水的机理上进行的，当水滴在表面接触角>90°时为疏水表面，当水滴在表面的接触角>150°时为超疏水表面。进一步，当水的接触状态为Cassie或者Wenzel-Cassie时，水没有或者全部浸入表面织构中，水与织构表面之间形成一层“空气垫”，这些空气由表面的织构捕捉形成，此时为疏水；当水与表面的接触状态为Wenzel时，水完全浸入表面的微织构中，表面为亲水性。

发明内容

针对现有技术中存在的不足，本发明提供了一种复合织构金属疏冰表面及其加工方法，在分布有方形凸台的金属表面上，通过皮秒激光脉冲加工速脱织构形貌，两种织构耦合形成所述跨尺度复合织构。本发明通过调节表面的粗糙度，利用加工的所述跨尺度复合微造型织构使金属表面转变为疏冰面，降低表面覆冰时冰与表面的粘结力，达到防粘、速脱以及防浸润的功效。

本发明是通过以下技术手段实现上述技术目的的。

一种复合织构金属疏冰表面，所述疏冰表面上设有防粘织构形貌；所述防粘织构形貌为若干均布在疏冰表面上的凸台；分布防粘织构形貌的所述疏冰表面上设有速脱织构形貌；所述速脱织构形貌为交错分布在具有防粘织构形貌的所述疏冰表面上的凹坑。

进一步，所述凸台为方形锥台，所述方形锥台的侧面与疏冰表面圆弧过渡；所述凹坑的横截面为半椭圆形。

进一步，所述方形锥台的特征几何参数为：

所述方形锥台的顶部边长为l＝[300nm，5000nm]；

所述方形锥台的高度为h＝[150nm，10000nm]；

相邻所述方形锥台之间的中心间距为k_raise∈[l+100nm，l+5000nm]。

进一步，所述凹坑形貌的特征几何参数为：

所述凹坑的半椭圆形短轴为

γ为制冷系数；

所述凹坑的深度为Depth＝τ_pit*Diameter，τ_pit为所述凹坑几何系数

相邻所述凹坑中心之间距离为k_pit∈[Diameter+(l+k_raise)，Diameter+10*(l+kraise)；

所述圆形凹坑的面积占有率为

进一步，所述制冰系数γ是制冷温度T与加权后的制冷相对湿度w_t对疏冰影响的综合系数。

进一步，所述制冷系数γ＝ρ*|T|/100℃+(1-ρ)*w_t/100％，

其中：T为制冷温度，T∈[-20℃，0℃]；w_t为制冷相对湿度，w_t∈[30％，80％]；ρ为制冷温湿权重，ρ∈[0，1]。

一种复合织构金属疏冰表面的加工方法，包括如下步骤：

通过飞秒激光脉冲在疏冰表面上加工防粘织构形貌；

通过皮秒激光脉冲在具有防粘织构形貌的所述疏冰表面上加工交错排布的速脱织构形貌。

本发明的有益效果在于：

1.本发明所述的复合织构金属疏冰表面，所采用的纳米或亚纳米级均匀阵列密布的方形凸台和交错分布的圆形微凹坑复合形貌，具备优越的复印能力。

2.本发明所述的复合织构金属疏冰表面，所采用的纳米或亚纳米级均匀密布的方形凸台和交错分布的凹坑复合形貌，在液体与表面的交界面处截留空气形成“空气垫”，同时凹坑内存在一定的压强对液体作用一个托举力，极大阻碍了液体浸入织构中，从而降低了液体对表面的浸润性，实现防粘功效。

3.本发明所述的复合织构金属疏冰表面，所采用的纳米或亚纳米级均匀密布的方形凸台和交错分布的凹坑复合形貌，在液体凝固全过程中，始终阻碍液体或凝固的液体浸入微结构中，减少了凝固的液体与表面的接触面积，降低冰与表面粘结力，实现疏冰和快速脱冰的功效。

4.本发明所述的复合织构金属疏冰表面，所采用的纳米或亚纳米级均匀密布的方形凸台和交错分布的凹坑复合形貌，采用超短脉冲激光加工快速加工复合微结构，该技术方案相较于传统的疏水和疏冰技术方法，如化学腐蚀、喷涂疏水和疏冰涂层等，具有成本低、加工效率高。

附图说明

图1为本发明所述的复合织构金属疏冰表面三维图。

图2为本发明所述的复合织构金属疏冰表面截面图。

图3为图1的俯视放大图。

图4为本发明液滴与疏冰表面的接触示意图。

图5为液滴结冰过程中以及结冰后与表面的接触示意图。

图6为本发明脱冰过程示意图。

图中：

1-凸台；2-凹坑；3-过冷水；4-冰。

具体实施方式

下面结合附图以及具体实施例对本发明作进一步的说明，但本发明的保护范围并不限于此。

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“轴向”、“径向”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

如图1和图2所示，本发明所述的复合织构金属疏冰表面，将底材与过冷水3的接触面作为疏冰表面，所述疏冰表面上规则分布复合织构，以达到防浸润、防粘速脱的功效。所述疏冰表面上设有防粘织构形貌；所述防粘织构形貌为若干矩阵分布在疏冰表面上的凸台1；分布防粘织构形貌的所述疏冰表面上设有速脱织构形貌；所述速脱织构形貌为交错分布在具有防粘织构形貌的所述疏冰表面上的凹坑2。所述凸台1为方形锥台，所述方形锥台的侧面与疏冰表面圆弧过渡；所述凹坑2的横截面为半椭圆形。凸台1纳米级或者亚纳米级均匀密布在疏冰表面上，微米级的形凹坑2交错分布，如图3所示。如图4、图5和图6所示，在过冷水3凝固的全过程中复合织构在底材与过冷水3的接触面之间截留空气，形成“空气垫”，同时凹坑2内存在一定的压强对过冷水3作用一个托举力，如图6所示，极大阻碍了过冷水3浸入织构中，从而改变了过冷水3对表面的浸润性，同时极大减小了水结冰后与表面的接触面积，从而降低了冰4与表面的粘附力，实现防粘速脱功效。

所述方形锥台的特征几何参数为：

所述方形锥台的顶部边长为l＝[300nm，5000nm]；

所述方形锥台的高度为h＝[150nm，10000nm]；

相邻所述方形锥台之间的中心间距为k_raise∈[l+100nm，l+5000nm]。

所述凹坑2形貌的特征几何参数为：

所述凹坑2的半椭圆形短轴长度为

γ为制冷系数；

所述凹坑2的深度为Depth＝τ_pit*Diamater，τ_pit为所述凹坑2几何系数

相邻所述凹坑2中心之间距离为k_pit∈[Diameter+(l+k_raise)，Diameter+10*(l+kraise)；

所述圆形凹坑2的面积占有率为

所述制冰系数γ是制冷温度T和制冷相对湿度w_t加权得到的对疏冰影响的综合系数γ＝ρ*|T|/100℃+(1-ρ)*w_t/100％；

其中：T为制冷温度，T∈[-20℃，0℃]；w_t为制冷相对湿度，w_t∈[30％，80％]；ρ为制冷温湿权重，ρ∈[0，1]。

一种复合织构金属疏冰表面的加工方法，包括如下步骤：

通过飞秒激光脉冲在疏冰表面上加工防粘织构形貌；

通过皮秒激光脉冲在具有防粘织构形貌的所述疏冰表面上加工交错排布的速脱织构形貌。

实施例1

针对电力铁塔的积冰问题进行本次实施例，选取的基体材料为Q235号钢，试样尺寸为100×50×1mm³。步骤为：

步骤1，制冷系统的环境温度T＝-20％，w_t＝50％，材料的制冷温湿权重ρ＝0.5，设计跨尺度复合微造型织构参数：

凸台1的顶部边长为l＝1000nm；凸台1的高度为h＝1000nm；相邻凸台1之间的间距为k_raise＝2000nm；凸台1的面积占有率为S_raise＝56％；凹坑2的半椭圆形短轴长度为Diameter＝20μm；凹坑2的深度为Depth＝20μm；相邻所述凹坑2中心之间距离为k_pit＝25μm；凹坑2的面积占有率为S_pit＝58％。

步骤2，前处理，使用#400、#600、#1200以及#2000的砂纸以及抛光机将不锈钢基材的织构面打磨、抛光至镜面，使得织构表面粗糙度达到激光微加工的要求，表面粗糙度为30nm。

步骤3，然后用酒精棉和棉布清洁不锈钢基体表面，直至亮光无尘，然后放入75％酒精中超声清洗，去除表面上残存的油污以及其他杂质。

步骤4，通过飞秒激光脉冲在疏冰表面上加工防粘织构形貌；通过皮秒激光脉冲在具有防粘织构形貌的所述疏冰表面上加工交错排布的速脱织构形貌。加工路线等如图4和图5所示，辅助气体为空气。

激光加工参数参数为：

飞秒激光器加工参数为：激光波长为800nm；离焦量为0mm；脉宽为Pulsewidth＝50fs；重复频率为1kHz；扫描速度为200mm/s；能量密度为0.19J/cm²。

皮秒激光器加工参数为：激光波长为532nm；离焦量为0mm；脉宽为Pulsewidth＝10ps；重复频率为400kHz；扫描速度为1000mm/s；能量密度为1.95J/cm²。

步骤6，后处理，将加工后的织构表面抛光，去除表面的熔渣，然后将基体浸入75％的酒精中进行超声波清洗，持续10min，清洗后进行室温风干，去除在加工过程中产生的熔渣等杂质。

经过粘结力测试得到，与未经处理的基体表面相比，本发明的复合织构降低了大约50％的冰与表面的粘结力，降低了电力铁塔由于积冰造成的危险。

实施例2

本实施例针对飞机表面结冰的问题，模拟飞机表面的工况，制冷温度为T＝-25％，w_t＝80％，选取的基体材料为Al2024，试样尺寸为80×20×1mm³，材料的制冷温湿权重ρ＝0.7，

复合微造型织构参数：

凸台1的顶部边长为l＝1000nm；凸台1的高度为h＝1000nm；相邻凸台1之间的间距为k_raise＝2000nm；凸台1的面积占有率为S_raise＝56％；凹坑2的半椭圆形短轴长度为Diameter＝20μm；凹坑2的深度为Depth＝20μm；相邻所述凹坑2中心之间距离为k_pit＝25μm；凹坑2的面积占有率为S_pit＝58％。

凸台1的顶部边长为l＝2500nm；凸台1的高度为h＝1500nm；相邻凸台1之间的间距为k_raise＝2000nm；凹坑2的半椭圆形短轴长度为Diameter＝5μm；凹坑2的深度为Depth＝6μm；相邻所述凹坑2中心之间距离为k_pit＝10μm；圆形凹坑2的面积占有率为S_pit＝22.7％。

激光加工参数参数为：

飞秒激光器加工所述凸台1的参数为：激光波长为800nm；离焦量为0mm；脉宽为Pulsewidth＝50fs；重复频率为1kHz；扫描速度为500mm/s；能量密度为0.25J/cm²。

皮秒激光器加工所述凹坑2参数为：激光波长为532nm；离焦量为0mm；脉宽为Pulsewidth＝10ps；重复频率为400kHz；扫描速度为1200mm/s；能量密度为0.9J/cm²。

经过粘结力测试可得，铝基表面的冰与表面的粘结力降低了约70％的冰与表面的粘结力，有力降低了材料表面覆冰的危害。

应当理解，虽然本说明书是按照各个实施例描述的，但并非每个实施例仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

上文所列出的一系列的详细说明仅仅是针对本发明的可行性实施例的具体说明，它们并非用以限制本发明的保护范围，凡未脱离本发明技艺精神所作的等效实施例或变更均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种复合织构金属疏冰表面，其特征在于，所述疏冰表面上设有防粘织构形貌；所述防粘织构形貌为若干均布在疏冰表面上的凸台(1)；分布防粘织构形貌的所述疏冰表面上设有速脱织构形貌；所述速脱织构形貌为交错分布在具有防粘织构形貌的所述疏冰表面上的凹坑(2)；

所述凸台(1)为方形锥台，所述方形锥台的侧面与疏冰表面圆弧过渡；所述凹坑(2)的截面为半椭圆形；所述方形锥台为纳米或亚纳米级的方形锥台；

所述凹坑(2)形貌的特征几何参数为：

所述凹坑(2)的半椭圆形短轴长度为

γ为制冷系数；

所述凹坑(2)的深度为Depth＝τ_pit*Diameter，τ_pit为所述凹坑(2)几何系数

相邻所述凹坑(2)中心之间距离为

其中，

为方形锥台的顶部边长；k_raise为相邻所述方形锥台之间的中心间距；

所述凹坑(2)的面积占有率为

所述制冷 系数γ是制冷温度T与加权后的制冷相对湿度w_t对疏冰影响的综合系数；所述制冷系数γ＝ρ*|T|/100℃+(1-ρ)*w_t/100％，

其中：T为制冷温度，T∈[-20℃，0℃]；w_t为制冷相对湿度，w_t∈[30％，80％]；ρ为制冷温湿权重，ρ∈[0，1]。

2.根据权利要求1所述的复合织构金属疏冰表面，其特征在于，所述方形锥台的特征几何参数为：

所述方形锥台的顶部边长为

所述方形锥台的高度为h＝[150nm，10000nm]；

相邻所述方形锥台之间的中心间距为

3.一种根据权利要求1-2任一项所述的复合织构金属疏冰表面的加工方法，其特征在于，包括如下步骤：

通过飞秒激光脉冲在疏冰表面上加工防粘织构形貌；

通过皮秒激光脉冲在具有防粘织构形貌的所述疏冰表面上加工交错排布的速脱织构形貌。

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