飞秒激光诱导微纳结构表面的防覆冰性能研究

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1、学号：S15010011硕士学位论文飞秒激光诱导微纳结构表面的防覆冰性能研究研究生姓名：于竞尧学科、专业：物理学二○一八年六月分类号：O437密级：可公开UDC：编号：飞秒激光诱导微纳结构表面的防覆冰性能研究STUDYONANTIICINGFROMMICRO-NANOSTRUCTURESURFACEINDUCEDBYFEMTOSECONDLASER学位授予单位及代码：长春理工大学（10186）学科专业名称及代码：物理学（070200）研究方向：原子分子与电磁场相互作用申请学位级别：硕士指导教师：林景全教授研究生：于竞尧论文起止时间：2017.03—2

2、018.04摘要固体材料表面结冰是电网维护、风能发电以及航空领域面临的重要问题，若不妥善解决会产生巨大的经济损失以及人身安全隐患。近期，人们提出了一种新的防覆冰方式，即利用具有润湿功能的微纳结构表面可有效抑制材料表面结冰，有望解决表面防覆冰问题。飞秒激光加工可直接在金属表面上制备出多种微纳结构，可使其表面形成疏水的润湿功能。因此，本文针对金属材料防覆冰的应用需求，选取两种具有广泛重要用途的金属材料（铜和镍），利用飞秒激光分别在其表面制备了微纳结构，并对微纳结构表面进行了表面低温润湿、抗结冰特性的研究。在金属铜的润湿及抗结冰的研究中，发现在未经任何化学

3、修饰的条件下、仅在空气中放置，由飞秒激光直接制备微纳结构的铜表面即可实现微纳结构表面由亲水性向疏水性的自发转变，并且微纳双尺度表面结构具有更良好的疏水特性。在低温结冰延迟实验中，疏水微纳结构表面延迟结冰的时间与未经激光处理的原表面相比均有明显延长，在优化的条件下推迟结冰时间可增加1倍。并且，微纳结构表面结冰延迟效果与其低温情况表面疏水性能相关，表面接触角越大结冰延迟效果越好。进一步，通过经典形核理论分析了延缓液滴结冰的物理机制。在金属镍的润湿及抗结冰的研究方面，发现经飞秒激光处理所形成微纳结构的纯镍（6N）表面,其润湿性能区别于铜微纳结构表面的情况。

4、在空气放置过程中，其亲水特性并没有发生随时间的推移而向疏水润湿性能的转换。进一步通过硅烷化处理使微纳结构表面具有了疏水特性，并系统研究了亲水（飞秒激光直接加工获得的）和疏水功能（硅烷化处理后获得的）表面在低温条件下的润湿及抗结冰性能。研究发现，拥有微纳复合结构的表面相比于单一微米结构的表面具有更长的抗结冰时间。论文进一步研究了动态液滴结冰的物理过程。研究结果表明，疏水微纳结构表面与未经激光处理的原表面相比实现了有效的结冰延迟，并且金属微纳结构表面温度与液滴下落高度共同影响液滴的结冰过程。关键词：飞秒激光微纳结构润湿功能抗结冰ABSTRACTSolid

5、surfaceicingisaseriousprobleminthefieldofpowergridmaintenance,windpowergenerationandaviation.Solidsurfaceicingwouldcausehugeeconomiclossesandbringdangertopersonalsafety,ifthatproblemwasnoteffectivelysolved.Recently,anewanti-icingmethodhasbeenputforward.Themicro-nanostructuresur

6、facewhichhaswettingfunctioncaneffectivelyinhibitsurfaceicing,anditisexpectedtosolvetheproblemofsurfaceanti-icing.Femtosecondlaserscanningcandirectlypreparevariousmicroandnanostructuresonthesurfaceofmetal,resultingintheformationofhydrophilicorhydrophobicwettingfunctiononthesurfa

7、ce.Therefore,basedontheapplicationrequirementsofametalmaterials,twokindsoftypicalmetalmaterials(copperandnickel)wereselected,andmicrosecondlaserwasusedtopreparethemicro-nanostructureonthesurfaceofthemetal.Thesurfaceofthemicro-nanostructurewaswettedandanti-icing.Inthestudyofmeta

8、lcopper,themicro-nanostructurewasprepareddirectlyonthe