超疏水表面微结构对其防冰特性的影响

【作者】 张海翔； 张锡文； 何枫； 吕存景； 郝鹏飞；

【机构】 清华大学航天航空学院工程力学系；

【摘要】 超疏水表面能促进液滴的快速回弹并延缓过冷水滴的成核,在防结冰领域具有巨大的应用潜能。本文通过实验探究和理论分析相结合的手段研究过冷水滴撞击微柱结构超疏水表面的动力学和结冰特性,并着重探讨微结构尺寸参数对表面防冰性能的影响机理与规律。定义了四种动力学-成核模式:部分浸润、浸润排空、稳定浸润和内部破碎,得到了四种模式与微结构无量纲尺寸参数(边长p~*、间距s~*、面积分数φ、高度h~*)和韦伯数We相关的定量相图。对比了不同动力学-成核模式下过冷水滴与超疏水表面的接触时间和临界成核温度,结果表明能够诱发浸润排空和内部破碎模式的多级微纳米复合结构表面比单级纳米结构表面具有更优异的防冰性能。毛细排空现象对减少水滴与表面的接触时间和接触面积起着重要作用,定量解释了毛细排空对接触时间的影响,证明了诱发毛细排空现象的出现是防结冰超疏水表面的最佳设计方案之一。基于液膜排空动力学与成核结冰的耦合效应,提出了一个无量纲参数τ_i代表排空时间与成核延迟时间之比。τ_i是与表面微结构尺寸参数和We数相关的函数,可视为评价微纳米多级结构超疏水表面防冰性能的指标。τ_i越小,越有利于液膜快速排空,并抑制水滴在表面的成核。本文的研究成果对优化设计超疏水防冰表面具有重要指导意义。更多还原