[发明专利]一种具有防冰、除冰效果的梯度微锥结构表面及其制备方法

说明书

本发明公开了一种具有防冰、除冰效果的梯度微锥结构表面及制备方法，该表面包括多个呈周期排布的梯度性微锥阵列，且微锥阵列中微锥的表面分布有致密的纳米片结构，可达到长时间延迟结冰与超低冰粘附的效果，延迟结冰时间可达45±5min(‑12℃)，冰粘附力达到2kPa以下(‑18℃)。基于梯度微锥结构构建的大体积空气占比以及对冷凝液滴的挤出与弹跳自去除能力，减少气垫被刺穿以及结冰接触面积，实现液滴在表面长时延迟结冰与结冰后在重力或风力下脱落的超低冰粘附力效果；优异的防/除冰能力为航空航天、极地探索、高海拔电力输送等结冰问题提供新的解决方法。

技术领域

本发明涉及材料表面加工及防除冰领域，具体涉及一种具有防除冰效果的梯度微锥结构表面及其制备方法。

背景技术

在气候寒冷的地区或是寒冷的高空，冰、雪和霜冻的形成和积累会对人们的日常生活和工业应用造成巨大隐患，例如汽车玻璃结冰遮挡视线阻碍出行；电力线、电信塔积冰影响网络交通；飞机机翼和螺旋桨结冰甚至威胁人们的生命安全等。如何有效地处理结冰问题仍是一个长期的巨大挑战。传统的防除冰方法通常包括如人工清除、机械振动除冰、化学抗冻剂、电热融化等，这些方法通常耗费人力、消耗能源、造成经济损失以及损伤材料表面，同时伴随着环境污染等问题，已经无法满足各种环境的防除冰需求。

超疏水表面以其独特的拒水性证明了它潜在的恐冰能力，且表面不消耗外部能量，在日常生活和工业应用中具有重要的研究价值与实际意义；专利CN110170747A提供了一种疏水区与亲水区相耦合的仿生集水防冰表面，其受沙漠甲虫背部集水结构的启发，采用疏水区与亲水区相耦合的方法，制备出具有仿生耦合集水铝合金表面，实现了一定的抗结冰效果，但其表面冰粘附强度的依然高于60kPa，无法实现冰的自去除；专利CN111846193A提供了一种超低冰粘附力的超疏水抗结冰航空铝合金表面，该表面以周期分布在铝合金基材表面的三维微米锥结构为基础，在微米锥表面分布有密集生长的纳米片和由纳米片组成的纳米花簇，具有较低的冰粘附力，但是并没有对延迟结冰的效果进行报道。

虽然超疏水表面在防冰、除冰领域的应用已有专利和文献报道，但目前已报道的超疏水表面的冰粘附强度依然较高，延迟结冰效果较差，难以达到在低温下冰自行脱落的效果，亟需一种具有优异防冰、除冰效果的结构表面。

发明内容

本发明的目的是提供一种具有防冰、除冰效果的梯度微锥结构表面，可达到长时间延迟结冰与超低冰粘附的效果。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种具有防冰、除冰效果的梯度微锥结构表面，其设置在基底上；所述表面包括多个呈周期排布的梯度性微锥阵列，所述微锥阵列中微锥表面分布有致密的纳米片结构。

优选的是，所述基底为铝合金。

优选的是，所述微锥的表面还随机分布有亚微米级颗粒，所述亚微米级颗粒的表面分布有致密的纳米片结构。

优选的是，各所述微锥阵列呈“山”字状，每个所述微锥阵列中的微锥按照小微锥、中微锥、大微锥、中微锥、小微锥的顺序排列；其中，大微锥直径为23～26μm，高度为20～23μm；中微锥直径为18～21μm，12～15μm；小微锥直径为10～13μm，5～7μm；大、中、小微锥间隙均为3～6μm。

本发明还提供了一种制备上述具有防冰、除冰效果的梯度微锥结构表面的方法，步骤如下：

S1、利用飞秒激光在铝合金表面加工出呈周期排布的梯度性微锥阵列，使表面获得微米级的锥形凸起及分布在微米级锥形突起表面的亚微米级颗粒，获得具有梯度性微锥的样品；

S2、将S1处理后的具有梯度性微锥的样品放入盛有去离子水的反应釜中，120℃水热处理120min；

S3、将经步骤S2处理后的具有梯度性微锥的样品干燥后，进行氟化处理，获得具有防冰、除冰效果的梯度微锥结构超疏水表面。