金屬表面微納結(jié)構(gòu)陣列的可控構(gòu)建及其冷凝特性研究.pdf

1、隸劫大磐博士學位論文金屬表面微納結(jié)構(gòu)陣列的可控構(gòu)建及其冷凝特性研究本論文獲國家自然科學基金項目(51101035)、江蘇省自然科學基金項目(BK2011255)、高等學校博士學科點專項科研基金(20110092120066)和蘇州市納米技術(shù)專項科研基金(ZXG2012020)資助摘要金屬表面微納結(jié)構(gòu)陣列的可控構(gòu)建及其冷凝特性研究摘要低溫高濕環(huán)境下金屬表面的凝露、結(jié)冰／霜現(xiàn)象普遍存在，給航空航天、空調(diào)熱泵、低溫儲存等領域相關設備的穩(wěn)定運行

2、帶來了安全隱患，如何有效地防護金屬表面的冷凝和結(jié)冰／霜已成為一個亟待解決的問題。低黏附超疏水表面不但具有自清潔、耐腐蝕等特點，而且還具有抗結(jié)冰／霜等特性，因此，如能將超疏水表面技術(shù)應用于金屬材料，實現(xiàn)金屬表面抗結(jié)冰霜功能，對相關應用領域具有重要的實際價值。由于抗冰霜的關鍵是抑制初始冰晶和霜晶的形成，本質(zhì)是抑制露滴的形核或促進已形成液滴的快速脫落；已有研究發(fā)現(xiàn)，微納復合結(jié)構(gòu)陣列超疏水表面更易形成Cassie態(tài)的水滴，但到底何種結(jié)構(gòu)對水滴脫

3、落最為有利目前尚不清楚，因此，開展金屬表面微納結(jié)構(gòu)陣列的可控構(gòu)建，并對不同結(jié)構(gòu)表面的潤濕和冷凝特性進行深入研究，對促進金屬表面抗凝露、結(jié)冰／霜功能的實現(xiàn)具有重要作用。在已有的研究基礎上，本文重點開展了以下研究：采用氨水浸泡法，構(gòu)建了“草”狀、“鳥巢”狀、“菜花”狀和空洞迷宮狀微結(jié)構(gòu)，氟化后四種結(jié)構(gòu)對宏觀靜態(tài)水滴接觸角均達超疏水態(tài)。其中，“鳥巢”狀和“菜花”狀微結(jié)構(gòu)的水接觸角在160。以上，滾動角在5。以下。研究發(fā)現(xiàn)稀氨水的(水和無水乙醇

4、體積比1：1)混合溶劑溶液浸泡銅箔形成結(jié)構(gòu)和組成復雜的菜花狀多晶結(jié)構(gòu)，與稀氨水的水溶液浸泡銅箔形成的正交相Cu(OH)2單晶納米帶迥然不同；并且得出氨水在兩種溶液反應中的作用。利用溶液合成ZnO法，構(gòu)建了發(fā)散納米錐、規(guī)整納米棒和微米“蜂窩”結(jié)構(gòu)，氟化后三種結(jié)構(gòu)均達低黏附超疏水態(tài)；其中，高度規(guī)整納米棒結(jié)構(gòu)的接觸角1653。和滾動角16。，具有優(yōu)異的疏水特性。結(jié)合稀氨水浸泡法構(gòu)建的四種結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)高度規(guī)整納米棒結(jié)構(gòu)具有最好的宏觀疏水性能。此外

5、，利用Zn(N03)26H20和KOH配制的[zn(oH)4]2水溶液35℃下實現(xiàn)了銅基底上規(guī)整ZmO納米棒，錐陣列的生長，首次近室溫條件下惰性基底上實現(xiàn)一維ZnO納米結(jié)構(gòu)陣列的生長，突破了溶液合成一維ZnO納米結(jié)構(gòu)陣列的生長技術(shù)，并揭示了可能的生長機制。微加工多種微米級和亞毫米級粗糙結(jié)構(gòu)，并與高度規(guī)整納米棒復合，構(gòu)建出多種分級復合結(jié)構(gòu)。氟化后，發(fā)現(xiàn)微米網(wǎng)格、微米溝槽和微米柱分別與規(guī)整納米棒復合的微納分級結(jié)構(gòu)水接觸角均在1600以上，滾