[发明专利]具有凹陷式微纳双级结构的防冰覆表面的制造方法及其应用

说明书

本发明涉及具有凹陷式微纳双级结构的防冰覆表面的制造方法，包括下述步骤：采用精密铣削技术在材料表面形成凸起式微米级结构；通过化学沉积在凸起式微米级结构表面形成纳米级片状结构；将微纳双级结构模板固定于注塑模具的型腔表面上，采用注塑技术制造出表面具有凹陷式微纳双级结构的高分子制品。还涉及具有凹陷式微纳双级结构的防冰覆表面的制造方法的应用。高分子制品表面上的凹陷式微纳双级结构可以有效延长液滴的结冰时间，降低冰黏附强度，同时有利于液滴从低温高分子表面上回弹，故高分子制品表面呈现高的静态和动态超疏水特性，可用作防冰覆领域的有效材料。

技术领域

本发明涉及功能性表面工程领域，特别涉及具有凹陷式微纳双级结构的防冰覆高分子制品的制造方法及其应用。

背景技术

结冰是自然界中常见的现象，严重时会对诸如航空、交通、电力输送、基建设施和能源系统造成影响甚至是灾害。防覆冰方法可以分为主动除冰和被动防冰两大类。传统的主动除冰方法主要包括热力融冰、机械除冰和自然除冰，这些方法一般需要消耗大量的能源；被动防冰是一种成本和能耗较低的防冰策略。对材料的防冰性能，一般需要满足以下三个方面：液滴在冷冻表面的回弹、延缓表面冰晶的形成和减小结冰后表面冰黏附强度。研究发现，具有微纳双级结构的超疏水表面具备以上三种性能，可用作低温条件下的防冰材料。

高分子材料具有良好的电绝缘性和力学性能，因此微纳双级结构表面的高分子制品具有广泛的应用价值。采用模板法制造微纳双级结构表面的高分子制品是一种高效率、低成本的技术，但目前制造的高分子制品表面的微纳双级结构多为凸起式结构。实际上，相互独立的凹陷式微纳双级结构可提高固液界面处气囊的稳定性，更有利于防止低温表面的覆冰。所以，采用模板法制造表面具有凹陷式微纳双级结构的高分子制品，并研究其表面的延迟结冰和抗低温液滴冲击等性能具有重要意义。

发明内容

针对现有技术中存在的问题，本发明的目的是提供表面具有凹陷式微纳双级结构的防冰覆高分子制品的制造方法，采用注塑技术制造表面具有凹陷式微纳双级结构从而具备抗低温液滴冲击和延迟结冰性能的高分子制品。

本发明的另一目的是提供表面具有凹陷式微纳双级结构的高分子制品的制造方法的应用，防止制品表面覆冰。

为了达到上述目的，本发明采用如下所述的技术方案。

具有凹陷式微纳双级结构的防冰覆表面的制造方法，包括如下步骤：

(1)制备微米级结构模板：采用精密铣削技术在材料表面形成所需的凸起式微米级结构；

(2)制备微纳双级结构模板：对微米级结构模板进行化学沉积，在凸起式微米级结构表面形成纳米级片状结构；

(3)制造凹陷式微纳双级结构高分子制品：将微纳双级结构模板固定于注塑模具的型腔表面上，加热注塑模具，将高分子材料加入到注塑机中，以制造出表面具有凹陷式微纳双级结构的高分子制品。

作为一种优选，步骤(1)中，用于制备微米级结构模板的材料为纯铜、铍铜合金、黄铜合金或白铜合金。

作为一种优选，步骤(1)中，微米级结构模板上的凸起式微米级结构为金字塔、圆锥体、长方体或圆柱体；凸起式微米级结构的特征尺寸和中心距均为10～200μm。

作为一种优选，步骤(2)中，化学沉积前先配制的氢氧化钾含量为0.5～5mol/L和过硫酸钾含量为0.04～0.2mol/L的混合溶液；化学沉积过程为：将微米级结构模板置于氢氧化钾和过硫酸钾混合溶液中，水浴加热温度为50～70℃，水浴加热时间为40～80min，在凸起式微米级结构表面上形成纳米级片状结构。

作为一种优选，步骤(3)中，微纳双级结构模板在注塑模具型腔表面的固定方式为螺纹连接、镶嵌连接、粘合或焊接。