本發(fā)明屬于材料表面激光加工及防除冰，更具體地說(shuō)，本發(fā)明涉及一種激光加工的具有防除冰效果的微納復(fù)合結(jié)構(gòu)及制備方法。

背景技術(shù)：

1、寒冷地區(qū)容易發(fā)生積冰，積冰會(huì)造成嚴(yán)重的安全事故和重大的經(jīng)濟(jì)損失，在許多領(lǐng)域，包括電力傳輸，通信，能源，交通因此，迫切需要制定高效的防/除冰策略來(lái)解決積冰問(wèn)題。一般來(lái)說(shuō)，傳統(tǒng)的主動(dòng)除冰技術(shù)如機(jī)械法、電熱法、光熱法、化學(xué)法等，不可避免地會(huì)帶來(lái)能源消耗、環(huán)境污染、效率低下等問(wèn)題。與傳統(tǒng)方法相比，迫切需要找到更高效、環(huán)保、經(jīng)濟(jì)的防冰、除冰方法。

2、受到天然的豬籠草的啟發(fā)，光滑液體注入多孔表面(slips)因其優(yōu)異的拒水性和防冰性而備受關(guān)注。slips在液滴和樣品表面之間具有穩(wěn)定的潤(rùn)滑層；這層潤(rùn)滑層使固體表面與液滴隔離開，抑制了冰晶成核的形成，大大降低了冰的粘附強(qiáng)度。但是，在除冰和雨水侵蝕過(guò)程中，表面潤(rùn)滑劑容易丟失，導(dǎo)致防冰/除冰失效。為了減少潤(rùn)滑劑的遷移和提高耐久性，軟彈性體作為解決積冰的有效材料之一被廣泛應(yīng)用。因此通過(guò)簡(jiǎn)單的方法，開發(fā)出一種既具有有效的防冰耐久性又具有柔性的光滑液體注入表面也是至關(guān)重要的。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的一個(gè)目的是解決至少上述問(wèn)題和/或缺陷，并提供至少后面將說(shuō)明的優(yōu)點(diǎn)。

2、為了實(shí)現(xiàn)根據(jù)本發(fā)明的這些目的和其它優(yōu)點(diǎn)，提供了一種激光加工的具有防除冰效果的微納復(fù)合結(jié)構(gòu)，包括：

3、具有可逆的溫度響應(yīng)的液體注入表面，其表面設(shè)置微柱陣列，所述微柱陣列包括多個(gè)呈周期性陣列排布的微柱結(jié)構(gòu)，每個(gè)所述微柱結(jié)構(gòu)的頂端通過(guò)激光加工有微錐陣列，所述微錐陣列包括多個(gè)呈周期性陣列排布的微錐結(jié)構(gòu)。

4、優(yōu)選的是，其中，所述具有可逆的溫度響應(yīng)的液體注入表面為透明柔性表面。

5、優(yōu)選的是，其中，所述微錐結(jié)構(gòu)的直徑為28～32μm，微錐結(jié)構(gòu)之間的中心間距為28～32μm；各所述微柱結(jié)構(gòu)呈正方形分布，微柱結(jié)構(gòu)的高度為380～400μm，直徑為145～155μm，兩相鄰微柱結(jié)構(gòu)的間距為149～151μm。

6、一種激光加工的具有防除冰效果的微納復(fù)合結(jié)構(gòu)的制備方法，包括以下步驟：

7、s1、利用飛秒激光在具有厚度為400μm的聚四氟乙烯片上加工出多個(gè)通孔，各所述通孔呈正方形分布；

8、s2、對(duì)加工完成后的聚四氟乙烯片在無(wú)水乙醇中清洗十分鐘并干燥，得到微柱模板；

9、s3、對(duì)s2中得到的微柱模板噴涂脫模劑，隨后將具有可逆的溫度響應(yīng)的液體注入材料澆注滿微柱模板，并沒(méi)過(guò)微柱模板700～800μm，并將注滿具有可逆的溫度響應(yīng)的液體注入材料的微柱模板放入溫度為80～120℃的干燥箱中固化1～4h后脫模，在具有可逆的溫度響應(yīng)的液體注入表面上獲得微柱陣列；

10、s4、使用飛秒激光對(duì)s3獲得的具有微柱陣列的液體注入表面進(jìn)行掃描，激光光束入射方向垂直于液體注入表面，在單個(gè)微柱結(jié)構(gòu)的表面進(jìn)行網(wǎng)格線掃描，在微柱結(jié)構(gòu)的頂端加工得到微錐陣列，獲得微納復(fù)合結(jié)構(gòu)。

11、優(yōu)選的是，其中，所述具有可逆的溫度響應(yīng)的液體注入表面的材料為摻雜有60wt％混合潤(rùn)滑液的聚二甲基硅氧烷。

12、優(yōu)選的是，其中，所述潤(rùn)滑液的制備方法為：將硅油與液體石蠟按照質(zhì)量比1:1混合，所述的硅油的粘度為100mm2/s。

13、優(yōu)選的是，其中，所述s1中，所述通孔的直徑為145～155μm，間距為149～151μm。

14、優(yōu)選的是，其中，所述s4中，飛秒激光的脈沖能量為20～30mw，掃描速度為0.001m·s-1，掃描網(wǎng)格線間距為28～32μm。

15、一種激光加工的具有防除冰效果的微納復(fù)合結(jié)構(gòu)的應(yīng)用，所述具有高耐久性防除冰效果的微納復(fù)合結(jié)構(gòu)應(yīng)用于防冰、除冰領(lǐng)域。

16、優(yōu)選的是，其中，所述具有可逆的溫度響應(yīng)的液體注入表面粘貼于所需防冰、除冰結(jié)構(gòu)的表面，用于在所需防冰、除冰結(jié)構(gòu)的表面進(jìn)行防冰、除冰。

17、本發(fā)明至少包括以下有益效果：

18、1.本發(fā)明提供的具有高耐久性防除冰效果的微納復(fù)合結(jié)構(gòu)的制備方法，仿照荷葉的超疏水性和豬籠草的潤(rùn)滑表面，采取飛秒激光加工的方式，在聚四氟乙烯片上制備出形貌精確可控的通孔結(jié)構(gòu)，經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)印獲得微柱陣列結(jié)構(gòu)，最后經(jīng)飛秒激光加工使微柱結(jié)構(gòu)頂端呈現(xiàn)微錐陣列結(jié)構(gòu)。微納復(fù)合結(jié)構(gòu)使微液滴與其接觸面積減少，同時(shí)在低溫下會(huì)有潤(rùn)滑液分泌，降低了冰粘附強(qiáng)度，從而實(shí)現(xiàn)良好的疏冰效果。

19、2.本發(fā)明利用前沿的仿生學(xué)原理，制備過(guò)程簡(jiǎn)單，成本低廉，結(jié)構(gòu)可精確調(diào)控，可實(shí)現(xiàn)高效、大面積的制備，可同時(shí)實(shí)現(xiàn)良好的防冰、疏冰和耐久性。在防冰方面，微納復(fù)合結(jié)構(gòu)具有更小的固液接觸面積，可有效減小熱傳遞效率，延遲其表面水滴的凍結(jié)，結(jié)冰時(shí)間最長(zhǎng)可達(dá)1033s；在疏冰方面，表面的冰粘附強(qiáng)度可低至2.51kpa，較低的冰粘附強(qiáng)度可以在傾斜、微風(fēng)、震動(dòng)等外力的作用下快速去除表面的積冰，從而保持良好的疏冰效果；在耐久性方面，表面在多次結(jié)冰除冰后，其微納復(fù)合結(jié)構(gòu)基本保持不變，即使在經(jīng)過(guò)多次結(jié)冰除冰循環(huán)后，其冰粘附強(qiáng)度仍能保持在20kpa以下，能夠多次重復(fù)使用，在防冰、除冰領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用潛力。

20、本發(fā)明的其它優(yōu)點(diǎn)、目標(biāo)和特征將部分通過(guò)下面的說(shuō)明體現(xiàn)，部分還將通過(guò)對(duì)本發(fā)明的研究和實(shí)踐而為本領(lǐng)域的技術(shù)人員所理解。

技術(shù)特征：

1.一種激光加工的具有防除冰效果的微納復(fù)合結(jié)構(gòu)，其特征在于，包括：

2.如權(quán)利要求1所述的激光加工的具有防除冰效果的微納復(fù)合結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述具有可逆的溫度響應(yīng)的液體注入表面為透明柔性表面。

3.如權(quán)利要求1所述的激光加工的具有防除冰效果的微納復(fù)合結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述微錐結(jié)構(gòu)的直徑為28～32μm，微錐結(jié)構(gòu)之間的中心間距為28～32μm；各所述微柱結(jié)構(gòu)呈正方形分布，微柱結(jié)構(gòu)的高度為380～400μm，直徑為145～155μm，兩相鄰微柱結(jié)構(gòu)的間距為149～151μm。

4.一種如權(quán)利要求1-3任一項(xiàng)所述的激光加工的具有防除冰效果的微納復(fù)合結(jié)構(gòu)的制備方法，其特征在于，包括以下步驟：

5.如權(quán)利要求4所述的激光加工的具有防除冰效果的微納復(fù)合結(jié)構(gòu)的制備方法，其特征在于，所述具有可逆的溫度響應(yīng)的液體注入表面的材料為摻雜有60wt％混合潤(rùn)滑液的聚二甲基硅氧烷。

6.如權(quán)利要求5所述的激光加工的具有防除冰效果的微納復(fù)合結(jié)構(gòu)的制備方法，其特征在于，所述潤(rùn)滑液的制備方法為：將硅油與液體石蠟按照質(zhì)量比1:1混合，所述的硅油的粘度為100mm2/s。

7.如權(quán)利要求4所述的激光加工的具有防除冰效果的微納復(fù)合結(jié)構(gòu)的制備方法，其特征在于，所述s1中，所述通孔的直徑為145～155μm，間距為149～151μm。

8.如權(quán)利要求4所述的激光加工的具有防除冰效果的微納復(fù)合結(jié)構(gòu)的制備方法，其特征在于，所述s4中，飛秒激光的脈沖能量為20～30mw，掃描速度為0.001m·s-1，掃描網(wǎng)格線間距為28～32μm。

9.一種如權(quán)利要求1～3任一項(xiàng)所述的激光加工的具有防除冰效果的微納復(fù)合結(jié)構(gòu)的應(yīng)用，其特征在于，所述具有高耐久性防除冰效果的微納復(fù)合結(jié)構(gòu)應(yīng)用于防冰、除冰領(lǐng)域。

10.如權(quán)利要求9所述的激光加工的具有防除冰效果的微納復(fù)合結(jié)構(gòu)的應(yīng)用，其特征在于，所述具有可逆的溫度響應(yīng)的液體注入表面粘貼于所需防冰、除冰結(jié)構(gòu)的表面，用于在所需防冰、除冰結(jié)構(gòu)的表面進(jìn)行防冰、除冰。

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明公開了一種激光加工的具有防除冰效果的微納復(fù)合結(jié)構(gòu)及其制備方法，涉及材料表面激光加工領(lǐng)域，包括：具有可逆的溫度響應(yīng)的液體注入表面，其表面設(shè)置微柱陣列，所述微柱陣列包括多個(gè)呈周期性陣列排布的微柱結(jié)構(gòu)，每個(gè)所述微柱結(jié)構(gòu)的頂端通過(guò)激光加工有微錐陣列，所述微錐陣列包括多個(gè)呈周期性陣列排布的微錐結(jié)構(gòu)。本發(fā)明的微納復(fù)合結(jié)構(gòu)具有良好的疏冰效果，可同時(shí)實(shí)現(xiàn)良好的防冰、疏冰和耐久性。在防冰方面，微納復(fù)合結(jié)構(gòu)具有更小的固液接觸面積，可有效減小熱傳遞效率，延遲其表面水滴的凍結(jié)，結(jié)冰時(shí)間最長(zhǎng)可達(dá)1033s；在疏冰方面，表面的冰粘附強(qiáng)度可低至2.51kPa；在耐久性方面，表面在多次結(jié)冰除冰后，其微納復(fù)合結(jié)構(gòu)基本保持不變。

技術(shù)研發(fā)人員：宋岳干,葛育才,李國(guó)強(qiáng),楊益,王遠(yuǎn)
受保護(hù)的技術(shù)使用者：西南科技大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2024/11/11