铝合金多级结构表面的构筑与防冰性能研究

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1、中图分类号：TB34论文编号：102870618-SZ023学科分类号：43015硕士学位论文铝合金多级结构表面的构筑与防冰性能研究研究生姓名王冠宇专业类别工程硕士专业领域材料工程指导教师骆心怡副教授南京航空航天大学研究生院材料科学与技术学院二О一八年三月NanjingUniversityofAeronauticsandAstronauticsTheGraduateSchoolCollegeofMaterialsScienceandTechnologyConstructionandIce-phobicPropertiesoftheHierar

2、chicalStructuredSuperhydrophobicAluminumAlloySurfacesAThesisinMaterialEngineeringbyWangGuanyuAdvisedbyAssociateProf.LuoXinyiSubmittedinPartialFulfillmentoftheRequirementsfortheDegreeofMasterofEngieeringMarch,2018承诺书本人声明所呈交的硕士学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文

3、中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得南京航空航天大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。本人授权南京航空航天大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。（保密的学位论文在解密后适用本承诺书）作者签名：」→在手日期：户7"/ι年4月3日南京航空航天大学全日制专业学位硕士学位论文摘要本论文基于仿生超疏水表面研究基础，在航空铝合金表面构建微纳米多级结构，开展表面微小液滴的静态和动态非润湿行为研究，进而研究表面的结冰延迟性能、冰层附着力、抗结霜冰冻能力以及低

4、温条件下的撞击行为，最后利用冰风洞试验研究超微小液滴撞击多级结构表面的实际防覆冰能力，以期探究超疏水防冰表面在飞机主动防结冰领域的应用潜能。论文的主要工作及结论如下：1）基于超疏水表面改性技术，采用化学刻蚀工艺构筑了优异的纳米结构表面，经氟硅烷（FAS-17）修饰处理后，研究化学刻蚀工艺参数对表面形貌和疏水性能的影响。结果显示：当NaOH的浓度为0.05M，碱刻蚀时间为5min,沸水浴时间为40min时，表面均匀分布着纳米片，尺寸约为100nm，展示出优异的超疏水性，接触角高达169°，滚动角接近6°。2）结合光刻技术和最佳刻蚀工艺，在铝合金

5、表面构筑一层微米阵列复合结构，并在阵列上生长一层均匀的纳米片结构，经FAS-17氟化修饰处理后，研究这种微纳米阵列复合结构的非润湿性、接触弹跳、结冰延迟性能和防冰抗霜性能。发现较单级结构表面，微纳米阵列复合结构具有更高的非润湿性，接触角高达173°，滚动角小至4.5°，接触角滞后降到1.71°，弹跳接触时间短到10ms，结冰延迟时间相对基体延长超过10倍，表面冰层附着力大幅度减小至75KPa，表现出优异的低温斥水性和防冰抗霜能力。3）采用喷砂工艺和最佳刻蚀工艺，在铝合金表面构筑微纳米二级结构，经FAS-17氟化修饰处理后，研究发现常温下微小液

6、滴在微纳米二级表面拥有优异的非润湿性和弹跳行为，接触时间短至5.6ms，但随着温度的不断降低，接触时间随之延长，最终由于温度过低（-20°C），表面液滴的粘滞阻力太大而不能弹起。另外，微纳米二级结构超疏水表面具有良好的结冰延迟性能和防结冰附着能力，结冰延迟达到769s，附着力强度减小至100.4KPa。随后利用风洞试验研究微纳米二级结构表面的实际防覆冰能力，结果发现在超微小液滴的撞击下，单级的纳米片结构表面比微纳米二级结构表现出较好的防冰性能，结冰区域小到一半，冰层附着量减少26g。这主要是因为微纳米二级结构超疏水表面可以阻止直径大于2mm的

7、实验液滴或者静态液滴下的渗透，但在冰风洞环境下却不能有效阻止超微小液滴的积冰富集。关键词:微纳米多级结构，超疏水表面，接触弹跳，防冰抗霜，冰风洞试验I铝合金多级结构表面的构筑与防冰性能研究II南京航空航天大学全日制专业学位硕士学位论文ABSTRACTBasedonthebio-inspiredsuperhydrophobicsurfacetechnology,thedissertationistoconstructmicro-nanohierarchicalstructureontheaviationaluminumalloysurfaces

8、,andstudythestaticnon-wettabilityandbouncingdynamicofimpactdroplets.Theresearcheso