[发明专利]一种基于梯度润湿表面的水膜流动控制方法

说明书

本发明提供的一种基于梯度润湿表面的水膜流动控制方法。通过微米加工技术在钛合金、铝合金等金属基体表面构建微结构形成非均匀表面，依据表面非均匀特性所产生的梯度润湿性，利用固液之间的粘附力差异控制水膜从低粘附力超疏水区域流向高粘附力疏水区域，并快速向高粘附区域汇集，在无任何他外力情况下，依靠粘附力作用促使溪流形成。本发明的有益之处在于：本发明的方法采用的梯度润湿性表面制作过程简单、制作成本低，实现了利用表面特性控制水膜运动，能在较低温度的条件下，控制水膜在短时间内进行定向的运输行为,在收集冷凝水、物质驱动等方面具有重要的应用价值，对于发展表面疏水材料及防除冰技术研究具有重要实践指导作用。

技术领域

本发明属于材料界面浸润技术领域，具体涉及一种基于梯度润湿表面的水膜流动控制方法。

背景技术

飞机表面结冰物理现象包括过冷水滴撞击表面、表面水膜和冰的形成及其形成过程中可能发生的蒸发、凝结和升华等过程，其中水膜流动和演变过程直接影响表面的结冰情况，对材料表面水膜的研究是结冰机理和防除冰技术研究的前提和基础。研究表明，水膜流动和演变过程受外流压力、重力、剪切力以及表面张力的影响，水膜受力不平衡使水膜厚度不断变化，进而导致水膜破裂，形成溪流和水珠，因此观察并控制水膜流动状态对发展表面疏水材料及研究液体防冰机理具有指导意义。

目前，材料表面的水膜流动研究主要集中在：①利用旋转表面离心力控制水膜流动并探讨离心力对水膜流动和演变的影响、②金属表面剪切驱动下水膜流动情况、③飞机实际飞行过程中受气象条件及飞行状态影响而使机翼表面水膜流动发生变化并产生演变、④叶片表面在旋转力及其他力作用下控制水膜流动和演变。以上研究均是在动态环境中依靠外力控制水膜流动和演变。然而，在不借助其他外力的情况下，仅利用表面特性控制水膜流动和演变过程的研究鲜有报道，这种依据表面特性的控制方法能使水膜在静态环境中得到有效控制，且具有操作简单方便的优势。目前，关于利用材料表面特性来控制水膜流动和演变过程的研究鲜有相关专利及文献报道。

在此，我们提出一种基于梯度润湿表面的水膜流动控制方法。在较低温度的条件下(0℃-10℃)，控制水膜在短时间内(2-4s)进行定向的运输行为。该方法有利于有关水膜流动的研究，对于防冰表面的基础研究和工业化应用具有非常重要的理论及工程意义，在水收集、冷凝管件等领域具有较大的应用潜力。

发明内容

为了弥补现有技术的不足，本发明提供了一种基于梯度润湿表面的水膜流动控制方法，利用固液之间的粘附力差异使水膜从低粘附力的超疏水区域向高粘附力的疏水区域流动，并促进水膜破裂形成溪流，在收集冷凝水、物质驱动等方面具有重要的应用价值，对于防冰表面的工业化应用和基础研究具有非常重要的意义。

本发明提供了一种基于梯度润湿表面的水膜流动控制方法，包括以下步骤：

(1)对固体基体材料进行切割、清洗、干燥预处理；

(2)采用微米加工技术在预处理后的材料表面构建微结构，并改变所述微结构的相关参数得到具有不同粗糙度区域的非均匀样品表面；

(3)将非均匀样品中具有微结构的表面朝上浸没于含有低表面能物质的乙醇溶液中，封上保鲜膜静置，随后于120℃高温烘箱中干燥2h，得到具有梯度润湿性的样品，即为成品；

(4)采用光学接触角测量仪测量所述成品表面的接触角，并采用粘附力测试装置测量其粘附力大小；

(5)在0～10℃的低温条件下，采用过冷液滴连续喷射系统，通过喷头在所述成品表面来回移动，使所述过冷液滴连续撞击所述成品表面；并用高速摄像机实时观察和记录所述过冷液滴到过冷水膜的形成和流动情况，并记录所述过冷水膜完全从低粘附力区域流入高粘附力区域或形成溪流的时间。

进一步的，步骤(1)所述固体基体材料为金属材料，且所述金属材料为钛合金、铝合金、镁合金、铜合金、不锈钢之一。