防冰微纳复合结构研究

飞机结冰常常给飞行安全带来极大危害。飞机的防冰技术一直是飞机系统设计的重要研究课题。本项目提出利用微纳复合结构防冰的方法，克服了现有飞机防冰方法存在需要额外机构、增加额外重量、能耗大等缺点，同时克服了超疏水涂层防冰方法在高速气流条件下涂层易脱落的缺点。微纳复合结构表面过冷水滴结晶和表面粘附机制是防冰研究的理论基础，建立微纳复合结构模型和可控制备微纳复合结构是防冰研究的关键。拟以植物超疏水表面为仿生对象，建立典型结构的仿生模型；在硅基底上可控制备出微纳复合结构；通过实验研究和理论分析，研究微纳复合结构形貌对防冰性能的影响规律，揭示微纳复合结构对冰晶形核成长过程的影响机制，以及不同形貌的微纳复合结构表面粘附机理。本项目将为飞机防冰研究提供一种新方法，该方法具有不脱落、无额外机构、重量轻、能耗低等优点，具有重要的理论意义和应用价值。

本项目提出了一种通过制备微纳复合结构超疏水表面实现防冰的方法，在飞机、轮船、公路、电力等领域具有潜在应用。.以具有超疏水性的植物表面为原型，建立了柱状阵列微米结构和微纳复合结构模型，使用热力学方法对超疏水性机理进行了分析。研究表明，微纳复合结构能够大大增加超疏水状态的稳定性。.提出了一种形貌可控的硅基微纳复合结构低成本制备方法。该方法包括光刻、反应离子深刻蚀、沉积银纳米颗粒和催化腐蚀硅纳米结构四个步骤。深入研究了工艺参数对表面形貌的影响，实现了微纳复合结构可控制备。.揭示了微纳复合结构对润湿性能的影响规律。研究表明，微米结构高度增大或间距减小到一定阈值，将使表面由Wenzel状态转变为 Cassie状态，亲水变为疏水。当间距与宽度比值大于一阈值，会导致润湿状态的转变，该阈值随宽度增大而变小。当微米结构上叠加纳米结构变成微纳复合结构时，亲水表面变为超疏水表面。.揭示了微纳复合结构对冰粘附性能的影响规律。研究表明，微纳复合结构超疏水表面粘附强度远小于微结构表面。表面冰粘附强度与接触角成反比，与接触角滞后成正比。研究认为，接触角增大，接触角滞后减小，导致表面之间的实际接触面积减小。接触面积减小，引起表面与冰之间的范德华力、化学键力和机械互锁力减小。.综上，微纳复合结构会导致表面具有稳定的超疏水性，可有效降低表面冰粘附强度。