CN113281113A - 一种基于梯度润湿表面的水膜流动控制方法 - Google Patents

一种基于梯度润湿表面的水膜流动控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供的一种基于梯度润湿表面的水膜流动控制方法。通过微米加工技术在钛合金、铝合金等金属基体表面构建微结构形成非均匀表面，依据表面非均匀特性所产生的梯度润湿性，利用固液之间的粘附力差异控制水膜从低粘附力超疏水区域流向高粘附力疏水区域，并快速向高粘附区域汇集，在无任何他外力情况下，依靠粘附力作用促使溪流形成。本发明的有益之处在于：本发明的方法采用的梯度润湿性表面制作过程简单、制作成本低，实现了利用表面特性控制水膜运动，能在较低温度的条件下，控制水膜在短时间内进行定向的运输行为,在收集冷凝水、物质驱动等方面具有重要的应用价值，对于发展表面疏水材料及防除冰技术研究具有重要实践指导作用。

Description

一种基于梯度润湿表面的水膜流动控制方法
技术领域
本发明属于材料界面浸润技术领域，具体涉及一种基于梯度润湿表面的水膜流动控制方法。
背景技术
飞机表面结冰物理现象包括过冷水滴撞击表面、表面水膜和冰的形成及其形成过程中可能发生的蒸发、凝结和升华等过程，其中水膜流动和演变过程直接影响表面的结冰情况，对材料表面水膜的研究是结冰机理和防除冰技术研究的前提和基础。研究表明，水膜流动和演变过程受外流压力、重力、剪切力以及表面张力的影响，水膜受力不平衡使水膜厚度不断变化，进而导致水膜破裂，形成溪流和水珠，因此观察并控制水膜流动状态对发展表面疏水材料及研究液体防冰机理具有指导意义。
目前，材料表面的水膜流动研究主要集中在：①利用旋转表面离心力控制水膜流动并探讨离心力对水膜流动和演变的影响、②金属表面剪切驱动下水膜流动情况、③飞机实际飞行过程中受气象条件及飞行状态影响而使机翼表面水膜流动发生变化并产生演变、④叶片表面在旋转力及其他力作用下控制水膜流动和演变。以上研究均是在动态环境中依靠外力控制水膜流动和演变。然而，在不借助其他外力的情况下，仅利用表面特性控制水膜流动和演变过程的研究鲜有报道，这种依据表面特性的控制方法能使水膜在静态环境中得到有效控制，且具有操作简单方便的优势。目前，关于利用材料表面特性来控制水膜流动和演变过程的研究鲜有相关专利及文献报道。
在此，我们提出一种基于梯度润湿表面的水膜流动控制方法。在较低温度的条件下(0℃-10℃)，控制水膜在短时间内(2-4s)进行定向的运输行为。该方法有利于有关水膜流动的研究，对于防冰表面的基础研究和工业化应用具有非常重要的理论及工程意义，在水收集、冷凝管件等领域具有较大的应用潜力。
发明内容
为了弥补现有技术的不足，本发明提供了一种基于梯度润湿表面的水膜流动控制方法，利用固液之间的粘附力差异使水膜从低粘附力的超疏水区域向高粘附力的疏水区域流动，并促进水膜破裂形成溪流，在收集冷凝水、物质驱动等方面具有重要的应用价值，对于防冰表面的工业化应用和基础研究具有非常重要的意义。
本发明提供了一种基于梯度润湿表面的水膜流动控制方法，包括以下步骤：
(1)对固体基体材料进行切割、清洗、干燥预处理；
(2)采用微米加工技术在预处理后的材料表面构建微结构，并改变所述微结构的相关参数得到具有不同粗糙度区域的非均匀样品表面；
(3)将非均匀样品中具有微结构的表面朝上浸没于含有低表面能物质的乙醇溶液中，封上保鲜膜静置，随后于120℃高温烘箱中干燥2h，得到具有梯度润湿性的样品，即为成品；
(4)采用光学接触角测量仪测量所述成品表面的接触角，并采用粘附力测试装置测量其粘附力大小；
(5)在0～10℃的低温条件下，采用过冷液滴连续喷射系统，通过喷头在所述成品表面来回移动，使所述过冷液滴连续撞击所述成品表面；并用高速摄像机实时观察和记录所述过冷液滴到过冷水膜的形成和流动情况，并记录所述过冷水膜完全从低粘附力区域流入高粘附力区域或形成溪流的时间。
进一步的，步骤(1)所述固体基体材料为金属材料，且所述金属材料为钛合金、铝合金、镁合金、铜合金、不锈钢之一。
进一步的，步骤(1)所述预处理的过程为：首先采用线切割技术将所述固体基体材料切割为60mm*20mm*1mm的长方体，再依次使用去离子水、无水乙醇超声处理10min，最后将所述长方体置于65℃烘箱干燥0.5h。
进一步的，步骤(2)所述微米加工技术为激光加工技术或光刻蚀法；其中所述激光加工技术中所使用激光器的加工参数为波长1064nm，最大频率1000kHz，脉冲宽度4～200ns，最大扫描速度8000mm/s，最大功率20W。
进一步的，步骤(2)所述微结构的相关参数包括微结构形状、尺寸、阵列距离；且所述非均匀样品表面是以微结构尺寸或阵列距离为变化参数，按区域依次变化形成的，任一区域微结构阵列的最大尺寸为40～240μm，任一区域微结构阵列距离为40～240μm。
进一步的，步骤(3)所述低表面能物质为氟硅烷(FAS-17)或硬脂酸；所述含有低表面能物质的乙醇溶液浓度为1％～20％；所述静置时间为15～24h。
进一步的，依据步骤(4)测量的接触角大小和粘附力大小，可以将所述成品表面分为超疏水性低粘附力区域和疏水性高粘附力区域；其中所述超疏水性低粘附力区域的接触角大于150°，固液之间的粘附力小于20μN/mm2；所述疏水性高粘附力区域的接触角为100°～150°，固液之间的粘附力为20～80μN/mm2。
进一步的，步骤(5)中所述过冷液滴连续撞击所述成品表面的连续撞击速度为1～3m/s，撞击时间为2～5s。
进一步的，步骤(5)中所述过冷水膜完全从低粘附力区域流入高粘附力区域或形成溪流的时间为2～4s。
本发明的有益之处在于：
①本发明的一种基于梯度润湿表面的水膜流动控制方法采用的梯度润湿性表面制作过程简单、制作成本低；
②本发明的一种基于梯度润湿表面的水膜流动控制方法能够实现水膜从低粘附区域向高粘附区域流动，而且能够快速向高粘附区域汇集；
③本发明的一种基于梯度润湿表面的水膜流动控制方法，在不施加任何外力的情况下，能够依靠固液表面之间的粘附力作用促使溪流形成；
④本发明的一种基于梯度润湿表面的水膜流动控制方法，能在较低温度的条件下(0-10℃)，控制水膜在短时间内(2-4s)进行定向的运输行为；
⑤本发明的一种基于梯度润湿表面的水膜流动控制方法，实现了利用表面特性控制水膜运动，此方法在收集冷凝水、物质驱动等方面具有重要的应用价值，对于发展表面疏水材料及开拓防除冰技术的研究具有重要的实践指导作用。
附图说明
图1为本发明实施例1的一种基于梯度润湿表面的水膜流动控制方法中所述成品表面上的冷水膜流动示意图；
图2为本发明实施例1的一种基于梯度润湿表面的水膜流动控制方法中所述成品表面上的微结构示意图；
图3为本发明实施例1的一种基于梯度润湿表面的水膜流动控制方法中所述成品表面的局部电镜扫描形貌图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
参考图1-3，一种基于梯度润湿表面的水膜流动控制方法，包括以下步骤：
(1)以铝合金为固体基体材料，对固体基体材料进行切割、清洗、干燥预处理，具体过程为：首先采用线切割技术将固体基体材料切割为60mm*20mm*1mm的长方体样品，再依次使用去离子水、无水乙醇超声处理10min，最后将长方体置于65℃烘箱干燥0.5h；
(2)采用激光加工技术在预处理后的的长方体样品表面构建微结构，其中使用的激光器波长为1064nm、频率为1000kHz、脉冲宽度20ns、功率为20W，并用X-Y扫描振镜进行激光扫描，扫描速度为3400mm/s；将长方体样品表面均分为六个具有不同粗糙度区域的非均匀样品表面，依次扫描加工形成正方形微柱结构阵列，正方形微柱边距分别为40μm、80μm、120μm、160μm、200μm、240μm，高度和边长为50μm；
(3)将非均匀样品中具有微结构的表面朝上浸没于质量百分数为10％的FAS-17乙醇溶液中，封上保鲜膜静置20h，随后于120℃高温烘箱中干燥2h，得到具有梯度润湿性的样品，即为成品；
(4)采用光学接触角测量仪测得表面最大接触角为158°，最小接触角为109°；并采用粘附力测试装置测得最大粘附力为69μN/mm2，最小粘附力为12μN/mm2；
(5)在5℃的低温条件下，采用过冷液滴连续喷射系统，通过喷头在成品表面的来回移动，使直径为200～1000μm的过冷液滴以1～3m/s的速度连续撞击成品表面3s；并用高速摄像机实时观察和记录过冷水膜的形成和流动情况，并记录过冷水膜完全从低粘附力区域流入高粘附力区域或形成溪流的时间，记录结过显示，冷水膜从低粘附区域向高粘附区域流动，完全流向高粘附区域的时间为3.6s。
实施例2
一种基于梯度润湿表面的水膜流动控制方法，包括以下步骤：
(1)以铝合金为固体基体材料，对固体基体材料进行切割、清洗、干燥预处理，具体过程为：首先采用线切割技术将固体基体材料切割为60mm*20mm*1mm的长方体样品，再依次使用去离子水、无水乙醇超声处理10min，最后将长方体置于65℃烘箱干燥0.5h；
(2)采用激光加工技术在预处理后的的长方体样品表面构建微结构，其中使用的激光器波长为1064nm、频率为1000kHz、脉冲宽度20ns、功率为20W，并用X-Y扫描振镜进行激光扫描，扫描速度为3400mm/s；将长方体样品表面均分为六个具有不同粗糙度区域的非均匀样品表面，依次扫描加工形成正方形微柱结构阵列，正方形微柱边距分别为40μm、80μm、120μm、160μm、200μm、240μm，高度和边长为50μm；
(3)将非均匀样品中具有微结构的表面朝上浸没于质量百分数为10％的FAS-17乙醇溶液中，封上保鲜膜静置20h，随后于120℃高温烘箱中干燥2h，得到具有梯度润湿性的样品，即为成品；
(4)采用光学接触角测量仪测得表面最大接触角为161°，最小接触角为113°；并采用粘附力测试装置测得最大粘附力为63μN/mm2，最小粘附力为10μN/mm2；
(5)在5℃的低温条件下，采用过冷液滴连续喷射系统，通过喷头在成品表面的来回移动，使直径为200～1000μm的过冷液滴以1～3m/s的速度连续撞击成品表面3s；并用高速摄像机实时观察和记录过冷水膜的形成和流动情况，并记录过冷水膜完全从低粘附力区域流入高粘附力区域或形成溪流的时间，记录结过显示，冷水膜从低粘附区域向高粘附区域流动，完全流向高粘附区域的时间为3.5s。
实施例3
一种基于梯度润湿表面的水膜流动控制方法，包括以下步骤：
(1)以钛合金为固体基体材料，对固体基体材料进行切割、清洗、干燥预处理，具体过程为：首先采用线切割技术将固体基体材料切割为60mm*20mm*1mm的长方体样品，再依次使用去离子水、无水乙醇超声处理10min，最后将长方体置于65℃烘箱干燥0.5h；
(2)采用光刻蚀法在预处理后的长方体样品表面构建微结构，将长方体样品表面均分为六个具有不同粗糙度区域的非均匀样品表面，第一个区域加工为边长40μm、高度和边距50μm的正方形微结构阵列，制作相应尺寸的掩膜版，通过显影技术将掩模板上的规则阵列图形转移到钛合金表面，其中显影过程中采用SU-8光刻胶、旋涂厚度7μm、曝光时间70s，结束后采用同样的方法使用新的掩膜版继续加工样品表面；其他区域的圆柱形微柱结构阵列边长依次为80μm、120μm、160μm、200μm、240μm，高度和边距为50μm，结束后使用丙酮将光刻胶洗尽；
(3)将非均匀样品中具有微结构的表面朝上浸没于质量百分数为10％的FAS-17乙醇溶液中，封上保鲜膜静置20h，随后于120℃高温烘箱中干燥2h，得到具有梯度润湿性的样品，即为成品；
(4)采用光学接触角测量仪测得表面最大接触角为153°，最小接触角为117°；并采用粘附力测试装置测得最大粘附力为58μN/mm2，最小粘附力为15μN/mm2；
(5)在5℃的低温条件下，采用过冷液滴连续喷射系统，通过喷头在成品表面的来回移动，使直径为200～1000μm的过冷液滴以1～3m/s的速度连续撞击成品表面3s；并用高速摄像机实时观察和记录过冷水膜的形成和流动情况，并记录过冷水膜完全从低粘附力区域流入高粘附力区域或形成溪流的时间，记录结过显示，冷水膜从低粘附区域向高粘附区域流动，完全流向高粘附区域的时间为3.9s。
实施例4
一种基于梯度润湿表面的水膜流动控制方法，包括以下步骤：
(1)以钛合金为固体基体材料，对固体基体材料进行切割、清洗、干燥预处理，具体过程为：首先采用线切割技术将固体基体材料切割为60mm*20mm*1mm的长方体样品，再依次使用去离子水、无水乙醇超声处理10min，最后将长方体置于65℃烘箱干燥0.5h；
(2)采用光刻蚀法在预处理后的长方体样品表面构建微结构，将长方体样品表面均分为六个具有不同粗糙度区域的非均匀样品表面，第一个区域加工为边长40μm、高度和边距50μm的正方形微结构阵列，制作相应尺寸的掩膜版，通过显影技术将掩模板上的规则阵列图形转移到钛合金表面，其中显影过程中采用SU-8光刻胶、旋涂厚度7μm、曝光时间70s，结束后采用同样的方法使用新的掩膜版继续加工样品表面；其他区域的圆柱形微柱结构阵列边长依次为80μm、120μm、160μm、200μm、240μm，高度和边距为50μm，结束后使用丙酮将光刻胶洗尽；
(3)将非均匀样品中具有微结构的表面朝上浸没于质量百分数为10％的FAS-17乙醇溶液中，封上保鲜膜静置20h，随后于120℃高温烘箱中干燥2h，得到具有梯度润湿性的样品，即为成品；
(4)采用光学接触角测量仪测得表面最大接触角为154°，最小接触角为112°；并采用粘附力测试装置测得最大粘附力为69μN/mm2，最小粘附力为11μN/mm2；
(5)在5℃的低温条件下，采用过冷液滴连续喷射系统，通过喷头在成品表面的来回移动，使直径为200～1000μm的过冷液滴以1～3m/s的速度连续撞击成品表面3s；并用高速摄像机实时观察和记录过冷水膜的形成和流动情况，并记录过冷水膜完全从低粘附力区域流入高粘附力区域或形成溪流的时间，记录结过显示，冷水膜从低粘附区域向高粘附区域流动，完全流向高粘附区域的时间为3.9s。
实施例5
一种基于梯度润湿表面的水膜流动控制方法，包括以下步骤：
(1)以钛合金为固体基体材料，对固体基体材料进行切割、清洗、干燥预处理，具体过程为：首先采用线切割技术将固体基体材料切割为60mm*20mm*1mm的长方体样品，再依次使用去离子水、无水乙醇超声处理10min，最后将长方体置于65℃烘箱干燥0.5h；
(2)采用光刻蚀法在预处理后的的长方体样品表面构建微结构，将长方体样品表面均分为六个具有不同粗糙度区域的非均匀样品表面，第一个区域加工为边长40μm、高度和边距50μm的正方形微结构阵列，制作相应尺寸的掩膜版，通过显影技术将掩模板上的规则阵列图形转移到钛合金表面，其中显影过程中采用SU-8光刻胶、旋涂厚度7μm、曝光时间70s，结束后采用同样的方法使用新的掩膜版继续加工样品表面；其他区域的圆柱形微柱结构阵列边长依次为80μm、120μm、160μm、200μm、240μm，高度和边距为50μm，结束后使用丙酮将光刻胶洗尽；
(3)将非均匀样品中具有微结构的表面朝上浸没于质量百分数为10％的FAS-17乙醇溶液中，封上保鲜膜静置20h，随后于120℃高温烘箱中干燥2h，得到具有梯度润湿性的样品，即为成品；
(4)采用光学接触角测量仪测得表面最大接触角为157°，最小接触角为108°；并采用粘附力测试装置测得最大粘附力为70μN/mm2，最小粘附力为12μN/mm2；
(5)在5℃的低温条件下，采用过冷液滴连续喷射系统，通过喷头在成品表面的来回移动，使直径为200～1000μm的过冷液滴以1～3m/s的速度连续撞击成品表面3s；并用高速摄像机实时观察和记录过冷水膜的形成和流动情况，并记录过冷水膜完全从低粘附力区域流入高粘附力区域或形成溪流的时间，记录结过显示，冷水膜从低粘附区域向高粘附区域流动，完全流向高粘附区域的时间为3.8s。
实施例6
一种基于梯度润湿表面的水膜流动控制方法，包括以下步骤：
(1)以钛合金为固体基体材料，对固体基体材料进行切割、清洗、干燥预处理，具体过程为：首先采用线切割技术将固体基体材料切割为60mm*20mm*1mm的长方体样品，再依次使用去离子水、无水乙醇超声处理10min，最后将长方体置于65℃烘箱干燥0.5h；
(2)采用光刻蚀法在预处理后的的长方体样品表面构建微结构，将长方体样品表面均分为六个具有不同粗糙度区域的非均匀样品表面，第一个区域加工为边长40μm、高度和边距50μm的正方形微结构阵列，制作相应尺寸的掩膜版，通过显影技术将掩模板上的规则阵列图形转移到钛合金表面，其中显影过程中采用SU-8光刻胶、旋涂厚度7μm、曝光时间70s，结束后采用同样的方法使用新的掩膜版继续加工样品表面；其他区域的圆柱形微柱结构阵列边长依次为80μm、120μm、160μm、200μm、240μm，高度和边距为50μm，结束后使用丙酮将光刻胶洗尽；
(3)将非均匀样品中具有微结构的表面朝上浸没于质量百分数为10％的FAS-17乙醇溶液中，封上保鲜膜静置20h，随后于120℃高温烘箱中干燥2h，得到具有梯度润湿性的样品，即为成品；
(4)采用光学接触角测量仪测得表面最大接触角为154°，最小接触角为112°；并采用粘附力测试装置测得最大粘附力为69μN/mm2，最小粘附力为11μN/mm2；
(5)在5℃的低温条件下，采用过冷液滴连续喷射系统，通过喷头在成品表面的来回移动，使直径为200～1000μm的过冷液滴以1～3m/s的速度连续撞击成品表面3s；并用高速摄像机实时观察和记录过冷水膜的形成和流动情况，并记录过冷水膜完全从低粘附力区域流入高粘附力区域或形成溪流的时间，记录结过显示，冷水膜从低粘附区域向高粘附区域流动，完全流向高粘附区域的时间为4.0s。
应当理解，以上所描述的具体实施例仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。由本发明的精神所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之中。

Claims (9)

1.一种基于梯度润湿表面的水膜流动控制方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
(1)对固体基体材料进行切割、清洗、干燥预处理；
(2)采用微米加工技术在预处理后的材料表面构建微结构，并改变所述微结构的相关参数得到具有不同粗糙度区域的非均匀样品表面；
(3)将非均匀样品中具有微结构的表面朝上浸没于含有低表面能物质的乙醇溶液中，封上保鲜膜静置，随后于120℃高温烘箱中干燥2h，得到具有梯度润湿性的样品，即为成品；
(4)采用光学接触角测量仪测量所述成品表面的接触角，并采用粘附力测试装置测量其粘附力大小；
(5)在0～10℃的低温条件下，采用过冷液滴连续喷射系统，通过喷头在所述成品表面来回移动，使所述过冷液滴连续撞击所述成品表面；并用高速摄像机实时观察和记录所述过冷液滴到过冷水膜的形成和流动情况，并记录所述过冷水膜完全从低粘附力区域流入高粘附力区域或形成溪流的时间。
2.根据权利要求书1所述的一种基于梯度润湿表面的水膜流动控制方法，其特征在于，步骤(1)所述固体基体材料为金属材料，且所述金属材料为钛合金、铝合金、镁合金、铜合金、不锈钢之一。
3.根据权利要求书2所述的一种基于梯度润湿表面的水膜流动控制方法，其特征在于，步骤(1)所述预处理的过程为：首先采用线切割技术将所述固体基体材料切割为60mm*20mm*1mm的长方体，再依次使用去离子水、无水乙醇超声处理10min，最后将所述长方体置于65℃烘箱干燥0.5h。
4.根据权利要求书3所述的一种基于梯度润湿表面的水膜流动控制方法，其特征在于，步骤(2)所述微米加工技术为激光加工技术或光刻蚀法；其中所述激光加工技术中所使用激光器的加工参数为波长1064nm，最大频率1000kHz，脉冲宽度4～200ns，最大扫描速度8000mm/s，最大功率20W。
5.根据权利要求书4所述的一种基于梯度润湿表面的水膜流动控制方法，其特征在于，步骤(2)所述微结构的相关参数包括微结构形状、尺寸、阵列距离；且所述非均匀样品表面是以微结构尺寸或阵列距离为变化参数，按区域依次变化形成的，任一区域微结构阵列的最大尺寸为40～240μm，任一区域微结构阵列距离为40～240μm。
6.根据权利要求书5所述的一种基于梯度润湿表面的水膜流动控制方法，其特征在于，步骤(3)所述低表面能物质为氟硅烷(FAS-17)或硬脂酸；所述含有低表面能物质的乙醇溶液浓度为1％～20％；所述静置时间为15～24h。
7.根据权利要求书6所述的一种基于梯度润湿表面的水膜流动控制方法，其特征在于，依据步骤(4)测量的接触角大小和粘附力大小，可以将所述成品表面分为超疏水性低粘附力区域和疏水性高粘附力区域；其中所述超疏水性低粘附力区域的接触角大于150°，固液之间的粘附力小于20μN/mm2；所述疏水性高粘附力区域的接触角为100°～150°，固液之间的粘附力为20～80μN/mm2。
8.根据权利要求书7所述的一种基于梯度润湿表面的水膜流动控制方法，其特征在于，步骤(5)中所述过冷液滴连续撞击所述成品表面的连续撞击速度为1～3m/s，撞击时间为2～5s。
9.根据权利要求书8所述的一种基于梯度润湿表面的水膜流动控制方法，其特征在于，步骤(5)中所述过冷水膜完全从低粘附力区域流入高粘附力区域或形成溪流的时间为2～4s。
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