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1、學(xué)號(hào)：S15010011碩士學(xué)位論文飛秒激光誘導(dǎo)微納結(jié)構(gòu)表面的防覆冰性能研究研究生姓名：于競(jìng)堯?qū)W科、專業(yè)：物理學(xué)二○一八年六月分類號(hào)：O437密級(jí)：可公開(kāi)UDC：編號(hào)：飛秒激光誘導(dǎo)微納結(jié)構(gòu)表面的防覆冰性能研究STUDYONANTIICINGFROMMICRO-NANOSTRUCTURESURFACEINDUCEDBYFEMTOSECONDLASER學(xué)位授予單位及代碼：長(zhǎng)春理工大學(xué)（10186）學(xué)科專業(yè)名稱及代碼：物理學(xué)（070200）研究方向：原子分子與電磁場(chǎng)相互作用申請(qǐng)學(xué)位級(jí)別：碩士指導(dǎo)教師：林景全教授研究生：于競(jìng)堯論文起止時(shí)間：2017.03—2
2、018.04摘要固體材料表面結(jié)冰是電網(wǎng)維護(hù)、風(fēng)能發(fā)電以及航空領(lǐng)域面臨的重要問(wèn)題，若不妥善解決會(huì)產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟(jì)損失以及人身安全隱患。近期，人們提出了一種新的防覆冰方式，即利用具有潤(rùn)濕功能的微納結(jié)構(gòu)表面可有效抑制材料表面結(jié)冰，有望解決表面防覆冰問(wèn)題。飛秒激光加工可直接在金屬表面上制備出多種微納結(jié)構(gòu)，可使其表面形成疏水的潤(rùn)濕功能。因此，本文針對(duì)金屬材料防覆冰的應(yīng)用需求，選取兩種具有廣泛重要用途的金屬材料（銅和鎳），利用飛秒激光分別在其表面制備了微納結(jié)構(gòu)，并對(duì)微納結(jié)構(gòu)表面進(jìn)行了表面低溫潤(rùn)濕、抗結(jié)冰特性的研究。在金屬銅的潤(rùn)濕及抗結(jié)冰的研究中，發(fā)現(xiàn)在未經(jīng)任何化學(xué)
3、修飾的條件下、僅在空氣中放置，由飛秒激光直接制備微納結(jié)構(gòu)的銅表面即可實(shí)現(xiàn)微納結(jié)構(gòu)表面由親水性向疏水性的自發(fā)轉(zhuǎn)變，并且微納雙尺度表面結(jié)構(gòu)具有更良好的疏水特性。在低溫結(jié)冰延遲實(shí)驗(yàn)中，疏水微納結(jié)構(gòu)表面延遲結(jié)冰的時(shí)間與未經(jīng)激光處理的原表面相比均有明顯延長(zhǎng)，在優(yōu)化的條件下推遲結(jié)冰時(shí)間可增加1倍。并且，微納結(jié)構(gòu)表面結(jié)冰延遲效果與其低溫情況表面疏水性能相關(guān)，表面接觸角越大結(jié)冰延遲效果越好。進(jìn)一步，通過(guò)經(jīng)典形核理論分析了延緩液滴結(jié)冰的物理機(jī)制。在金屬鎳的潤(rùn)濕及抗結(jié)冰的研究方面，發(fā)現(xiàn)經(jīng)飛秒激光處理所形成微納結(jié)構(gòu)的純鎳（6N）表面,其潤(rùn)濕性能區(qū)別于銅微納結(jié)構(gòu)表面的情況。
4、在空氣放置過(guò)程中，其親水特性并沒(méi)有發(fā)生隨時(shí)間的推移而向疏水潤(rùn)濕性能的轉(zhuǎn)換。進(jìn)一步通過(guò)硅烷化處理使微納結(jié)構(gòu)表面具有了疏水特性，并系統(tǒng)研究了親水（飛秒激光直接加工獲得的）和疏水功能（硅烷化處理后獲得的）表面在低溫條件下的潤(rùn)濕及抗結(jié)冰性能。研究發(fā)現(xiàn)，擁有微納復(fù)合結(jié)構(gòu)的表面相比于單一微米結(jié)構(gòu)的表面具有更長(zhǎng)的抗結(jié)冰時(shí)間。論文進(jìn)一步研究了動(dòng)態(tài)液滴結(jié)冰的物理過(guò)程。研究結(jié)果表明，疏水微納結(jié)構(gòu)表面與未經(jīng)激光處理的原表面相比實(shí)現(xiàn)了有效的結(jié)冰延遲，并且金屬微納結(jié)構(gòu)表面溫度與液滴下落高度共同影響液滴的結(jié)冰過(guò)程。關(guān)鍵詞：飛秒激光微納結(jié)構(gòu)潤(rùn)濕功能抗結(jié)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
