微結(jié)構(gòu)幾何參數(shù)對(duì)鋁合金表面結(jié)冰性能的影響

彎艷玲，嚴(yán)燦東，王博，于化東

微結(jié)構(gòu)幾何參數(shù)對(duì)鋁合金表面結(jié)冰性能的影響

彎艷玲，嚴(yán)燦東，王博，于化東

（長春理工大學(xué) 跨尺度微納制造教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，長春 130000）

制備具有穩(wěn)定性的抗結(jié)冰表面，并探討表面微結(jié)構(gòu)幾何參數(shù)對(duì)表面結(jié)冰性能的影響。以鋁合金為基底材料，采用電火花線切割加工方法，在材料表面構(gòu)建可控微米級(jí)尺寸溝槽與方柱陣列結(jié)構(gòu)，對(duì)試件進(jìn)行潤濕性、結(jié)冰性能以及穩(wěn)定性測(cè)試。制備的微結(jié)構(gòu)表面超疏水或者近超疏水。微結(jié)構(gòu)表面具有優(yōu)異的抗結(jié)冰性能，且方柱結(jié)構(gòu)表面的抗結(jié)冰性能優(yōu)于溝槽結(jié)構(gòu)表面。微結(jié)構(gòu)高度的增加以及寬度的減小都會(huì)延遲水滴在微結(jié)構(gòu)表面的結(jié)冰時(shí)間，且寬度的影響程度更大。結(jié)冰-融冰循環(huán)試驗(yàn)表明，微結(jié)構(gòu)表面具有一定的穩(wěn)定性。分析抗結(jié)冰機(jī)理可知，微結(jié)構(gòu)表面的兩級(jí)結(jié)構(gòu)，形成了“氣墊效應(yīng)”，提高了表面疏水性，減小了固液接觸面積；微結(jié)構(gòu)高度增加、寬度減小以及形態(tài)由溝槽變?yōu)榉街?，使傳熱熱阻增大，傳熱面積減小，減緩了三相接觸時(shí)液滴的熱能損失，因此延長了結(jié)冰時(shí)間。電火花線切割加工方法在構(gòu)建微結(jié)構(gòu)的同時(shí)，提高了表面的疏水性，并且微結(jié)構(gòu)幾何參數(shù)不同程度地提高了表面的抗結(jié)冰性能，為探究新型抗結(jié)冰表面提供了一種新的思路。

電火花線切割加工；幾何參數(shù)；微結(jié)構(gòu)；超疏水；抗結(jié)冰性能；穩(wěn)定性

結(jié)冰是一種低溫環(huán)境、制冷設(shè)備以及熱交換等裝置中常見的相變傳熱現(xiàn)象，不僅消耗能量，而且還會(huì)增大傳熱面熱阻，降低傳熱效率，甚至造成系統(tǒng)堵塞，影響設(shè)備的工作效率、運(yùn)行安全與使用壽命[1]。在輸電通信線路、航空、航?；蚋哞F運(yùn)輸?shù)仍O(shè)備上結(jié)冰，可能會(huì)造成不同程度的危害[2-4]。因此，人們紛紛尋求防冰技術(shù)和方法。目前，防冰方法可分為主動(dòng)防冰和被動(dòng)防冰[5]。被動(dòng)防冰以消耗物質(zhì)和能源的代價(jià)獲得，同時(shí)效率較低。主動(dòng)防冰是指在材料表面構(gòu)造超疏水表面，使液體易逃離材料表面，達(dá)到延遲結(jié)冰或降低冰在其表面的粘附，使其易清除的目的。超疏水表面主動(dòng)防冰的原理是基于超疏水表面的低表面能和粗糙結(jié)構(gòu)，減少水滴與表面的接觸時(shí)間與接觸面積，增強(qiáng)空氣熱阻[6-7]，增大水結(jié)冰成核時(shí)的能量壁壘[8-10]，并減小液滴在表面的粘附性，以此來延緩水滴在表面的結(jié)冰時(shí)間，使液滴在結(jié)冰前易脫離材料表面，令表面“干燥”[2]，降低覆冰的粘附性[11-12]，同時(shí)減小表面冰層積與覆冰量[13]。大量研究證明[14-16]，表面超疏水化能降低冰的粘附強(qiáng)度、延長結(jié)冰時(shí)間與延遲冰的增長。人們對(duì)于超疏水表面的抗結(jié)冰性能做了大量的研究[17-22]。Liu等[19]通過激光加工了方形突起、圓形隆起與山脈狀結(jié)構(gòu)的超疏水微結(jié)構(gòu)陣列，研究其抗結(jié)冰性能發(fā)現(xiàn)，超疏水表面微結(jié)構(gòu)間的內(nèi)含空氣體積的增大與接觸面積的減小，使微結(jié)構(gòu)表面獲得優(yōu)異的抗結(jié)冰性能，并引入了一種分析液滴與固體結(jié)構(gòu)化之間傳熱過程的模型。Nguyen等[23]通過構(gòu)建不同形態(tài)參數(shù)納米圓柱陣列的超疏水表面，發(fā)現(xiàn)了實(shí)際液體與固體表面接觸面積以及納米柱高度對(duì)冰的粘附力與結(jié)冰時(shí)間等防冰性能的影響，結(jié)果證明，面積分?jǐn)?shù)在防冰效率中具有重要作用。隨著研究的深入，學(xué)者們發(fā)現(xiàn)，材料表面抗結(jié)冰性能不僅與表面疏水特性有關(guān)，而且與表面粗糙結(jié)構(gòu)有很大的關(guān)系，兩者共同對(duì)防覆冰性能產(chǎn)生影響，且作用機(jī)理不同。此外，表面疏水性與表面粗糙結(jié)構(gòu)密不可分。因此，表面抗結(jié)冰性能不僅要從疏水性方面來研究，還需要從表面粗糙結(jié)構(gòu)入手，研究表面粗糙結(jié)構(gòu)對(duì)疏水性以及抗結(jié)冰性能的影響。

本文基于電火花線切割加工方法在鋁合金表面構(gòu)建不同幾何參數(shù)的溝槽與方柱微結(jié)構(gòu)陣列，結(jié)合表面疏水性能、固液接觸以及傳熱方式，研究微結(jié)構(gòu)幾何參數(shù)對(duì)表面液滴結(jié)冰時(shí)間的影響，探究液滴在表面延遲結(jié)冰的機(jī)制，對(duì)探索新型抗結(jié)冰技術(shù)的發(fā)展具有重要意義。

1 試驗(yàn)

1.1 表征方法

通過蔡司公司生產(chǎn)的掃描電子顯微鏡（EVO MA25）和超景深顯微鏡（Smart zoom 5）進(jìn)行微結(jié)構(gòu)形貌的觀測(cè)。采用德國（Dataphysics）公司生產(chǎn)的視頻光學(xué)接觸角測(cè)量?jī)x（OCA20）觀察液滴接觸狀態(tài)，并測(cè)量接觸角。測(cè)試液滴為去離子水，體積為5 μL，取5個(gè)平行樣本的平均值。

1.2 樣件制備

為研究微結(jié)構(gòu)幾何參數(shù)對(duì)6061鋁合金表面結(jié)冰性能的影響，設(shè)計(jì)了不同高度與寬度的溝槽G與方柱P微結(jié)構(gòu)陣列（如圖1所示），并以光滑表面S為對(duì)比件。采用中走絲線切割機(jī)床（蘇州三光HA400U）進(jìn)行微結(jié)構(gòu)的加工，加工參數(shù)：走絲速度為4 m/s，電流為3 A，電壓為100 V，脈沖寬度為28 μs，脈沖間距為140 μs。加工的試件依次用丙酮、無水乙醇和去離子水超聲清洗10 min，自然風(fēng)干后待用。

圖1 溝槽G與方柱P微結(jié)構(gòu)陣列

為研究微結(jié)構(gòu)幾何參數(shù)對(duì)鋁合金表面加工性能的影響，加工了等差微結(jié)構(gòu)高度、寬度試件。溝槽結(jié)構(gòu)試件為G1—G10，方柱結(jié)構(gòu)試件為P1—P10，其中G1—G5（P1—P5）的寬度為300 μm，高度依次為200、300、400、500、600 μm；G6—G10（P6—P10）的高度為400 μm，寬度分別為200、300、400、500、600 μm。微結(jié)構(gòu)間距均為350 μm。

1.3 結(jié)冰性能測(cè)試

采用自制的結(jié)冰性能試驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行抗結(jié)冰性能測(cè)試。該試驗(yàn)臺(tái)主要由半導(dǎo)體液冷制冷系統(tǒng)、圖像采集系統(tǒng)與溫度監(jiān)控裝置組成（如圖2所示）。制冷溫度最低為–20 ℃，精度為±0.3 ℃。溫度監(jiān)控裝置為紅外線接觸式測(cè)溫計(jì)，精度為±0.1 ℃。圖像采集系統(tǒng)主要為高清攝像機(jī)與微距相機(jī)，幀率為60 fps。

圖2 結(jié)冰性能測(cè)試試驗(yàn)臺(tái)

水滴在材料表面的結(jié)冰階段分為均相降溫和異相結(jié)冰兩個(gè)階段，本文以均相降溫時(shí)間與異相結(jié)冰時(shí)間之和為衡量指標(biāo)。測(cè)試時(shí)，首先將試驗(yàn)臺(tái)溫度降低至(–10±0.3) ℃，密封環(huán)境的相對(duì)濕度為50%，常溫下將5 μL水滴注射至試件表面，然后將試件放置在試驗(yàn)臺(tái)上，進(jìn)行原位水滴的結(jié)冰試驗(yàn)。

2 結(jié)果與分析

2.1 表面幾何參數(shù)及微觀形貌

加工試件的幾何參數(shù)見表1，微結(jié)構(gòu)間距為(349.6±5.2) μm。由表1可知，構(gòu)建后的微結(jié)構(gòu)尺寸和設(shè)計(jì)尺寸的標(biāo)準(zhǔn)偏差為3.2～7.5 μm，基本實(shí)現(xiàn)了尺寸可控。

試件的表面微觀結(jié)構(gòu)形貌如圖3所示。構(gòu)建的溝槽與方柱陣列排列整齊，形態(tài)規(guī)整（見圖3a、b），一級(jí)微結(jié)構(gòu)表面分布著亞微米級(jí)以及納米級(jí)的微坑與凸起（見圖3c、d），增大了試件表面的粗糙度，兩者一起構(gòu)成了兩級(jí)微納復(fù)合結(jié)構(gòu)。當(dāng)液滴與微結(jié)構(gòu)表面接觸時(shí)，不僅與一級(jí)結(jié)構(gòu)間形成空腔，而且與二級(jí)結(jié)構(gòu)間形成了“氣墊效應(yīng)”，減小了固液接觸面積，提高了材料表面的疏水性。電火花線切割技術(shù)通過電極放電蝕除材料，會(huì)在微米級(jí)結(jié)構(gòu)表面形成亞微米及納米尺度結(jié)構(gòu)。由于本文所用加工參數(shù)一致，且由圖3c、d可以看出，亞微米級(jí)以及納米級(jí)的二級(jí)結(jié)構(gòu)差別較小，故認(rèn)為加工后二級(jí)微結(jié)構(gòu)表面形貌尺度一致。測(cè)試表面物質(zhì)成分發(fā)現(xiàn)，相對(duì)于光滑表面，加工表面的Al元素減少，C與O元素增多，其他元素基本不變。以試件P3為例（如圖4所示），Al元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)由75.8%下降到67.4%，C元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)由10.3%增加到18.5%，O元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)由8%增加到12.5%。由此可以推測(cè)，表面氧化與碳化是表面疏水化的另一個(gè)原因。

表1 微結(jié)構(gòu)幾何參數(shù)

Tab.1 Geometric parameters of microstructure

圖3 微結(jié)構(gòu)表面微觀形貌

圖4 加工前后表面物質(zhì)成分對(duì)比

2.2 潤濕性

測(cè)試液滴在結(jié)構(gòu)表面的接觸狀態(tài)與靜態(tài)接觸角發(fā)現(xiàn)，所構(gòu)建表面均實(shí)現(xiàn)了超疏水或近超疏水性能。當(dāng)微結(jié)構(gòu)寬度為300 μm，高度在200～600 μm時(shí)，接觸角的變化幅度較?。ㄈ鐖D5a所示），溝槽結(jié)構(gòu)表面接觸角為154.4°～156.1°，方柱結(jié)構(gòu)表面接觸角為154.3°～155.1°。如圖5b所示，當(dāng)微結(jié)構(gòu)高度為400 μm，寬度在200～600 μm變化時(shí)，接觸角的變化幅度較大，溝槽結(jié)構(gòu)表面接觸角由158.1°降至140.5°，方柱結(jié)構(gòu)接觸角由160.1°降至140.2°。由此可知，在設(shè)計(jì)尺寸范圍內(nèi)，液滴在試件表面的靜態(tài)接觸角主要受微結(jié)構(gòu)寬度的影響，高度的影響較小。分析微結(jié)構(gòu)表面接觸角差異的原因，從固液接觸狀態(tài)（如圖6所示）可以看出，當(dāng)微結(jié)構(gòu)間距與寬度一致時(shí)，微結(jié)構(gòu)高度基本不會(huì)改變固液接觸面積，固液接觸線基本不變，故對(duì)接觸角的影響較?。划?dāng)微結(jié)構(gòu)間距與高度一致時(shí)，微結(jié)構(gòu)寬度的增加會(huì)增加固液接觸面積，固液接觸線增長，導(dǎo)致靜態(tài)接觸角逐漸變小。

圖5 幾何參數(shù)對(duì)試件表面靜態(tài)接觸角的關(guān)系

圖6 固液接觸狀態(tài)

由圖6固液接觸狀態(tài)可知，液滴在微結(jié)構(gòu)表面呈現(xiàn)近疏水或超疏水狀態(tài)，靜態(tài)接觸角為140.2°～160.1°。假設(shè)液滴僅與一級(jí)微結(jié)構(gòu)表面為Cassie接觸模型，液滴與材料表面的接觸面積如圖7所示，則溝槽結(jié)構(gòu)的表面固液接觸面積分?jǐn)?shù)可以表示為：

G=/(+) (1)

方柱結(jié)構(gòu)的表面固液接觸面積分?jǐn)?shù)可以表示為：

P=2/(+)2(2)

計(jì)算可得，溝槽結(jié)構(gòu)的固液接觸面積分?jǐn)?shù)為0.36～ 0.63，方柱結(jié)構(gòu)的固液接觸面積分?jǐn)?shù)為0.13～0.4，且均隨微結(jié)構(gòu)寬度的增大而減小。將本征接觸角54.6°與固液接觸面積分?jǐn)?shù)代入Cassie公式，可得溝槽結(jié)構(gòu)表面表觀的接觸角為142°～92.9°，方柱結(jié)構(gòu)表面的為142.6°～111.6°，小于實(shí)測(cè)值。由此可知，微結(jié)構(gòu)表面的亞微米級(jí)以及納米級(jí)微坑與凸起進(jìn)一步減小了固液接觸面積分?jǐn)?shù)，增強(qiáng)了疏水性。故假設(shè)液滴與試件

圖7 固液接觸界面模型

表面兩級(jí)微結(jié)構(gòu)上均滿足Cassie接觸狀態(tài)[24-26]，即C1-C2模型：

2.3 結(jié)冰性能測(cè)試

對(duì)試件表面的結(jié)冰性能進(jìn)行測(cè)試發(fā)現(xiàn)，微結(jié)構(gòu)試件表面具有優(yōu)異的抗結(jié)冰性能。對(duì)比試件S、G3與P3（見圖 8a—c），光滑表面S的結(jié)冰時(shí)間為53 s，G3溝槽與P3方柱結(jié)構(gòu)表面的結(jié)冰時(shí)間分別為453、832 s。觀測(cè)液滴結(jié)冰過程可知，水滴結(jié)冰過程為均相降溫—冰晶生長—異相結(jié)冰。整個(gè)結(jié)冰過程中，液滴始終在微結(jié)構(gòu)表面呈現(xiàn)Cassie狀態(tài)（如圖8d—e所示）。

微結(jié)構(gòu)高度與寬度對(duì)結(jié)冰時(shí)間的影響曲線如圖9所示。由圖9可知，當(dāng)微結(jié)構(gòu)寬度固定時(shí)，微結(jié)構(gòu)高度對(duì)結(jié)冰時(shí)間的影響較小，結(jié)冰時(shí)間隨著高度的增加呈現(xiàn)增加趨勢(shì)，相鄰高度的同種微結(jié)構(gòu)表面的結(jié)冰時(shí)間相差25 s左右。溝槽與方柱結(jié)構(gòu)表面均在微結(jié)構(gòu)高度為最大值600 μm時(shí)，結(jié)冰時(shí)間最長，分別為501 s和905 s。當(dāng)微結(jié)構(gòu)高度固定時(shí)，微結(jié)構(gòu)寬度對(duì)結(jié)冰時(shí)間的影響較大，結(jié)冰時(shí)間與微結(jié)構(gòu)寬度呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)，相鄰寬度的同種微結(jié)構(gòu)的結(jié)冰時(shí)間相差70 s左右，且溝槽與方柱結(jié)構(gòu)表面均在微結(jié)構(gòu)寬度為最小值200 μm時(shí)，結(jié)冰時(shí)間最長，分別為526 s和927 s。對(duì)比溝槽結(jié)構(gòu)與方柱結(jié)構(gòu)表面，方柱結(jié)構(gòu)表面的延遲結(jié)冰性能明顯優(yōu)于溝槽結(jié)構(gòu)表面，方柱結(jié)構(gòu)表面的結(jié)冰時(shí)間是溝槽結(jié)構(gòu)的2倍左右。

圖8 表面結(jié)冰過程與結(jié)冰時(shí)間

圖9 微結(jié)構(gòu)幾何參數(shù)對(duì)結(jié)冰時(shí)間的影響

為分析抗結(jié)冰機(jī)理，引入一個(gè)基于液滴接觸模型的三相傳熱模型來解釋液滴的熱能損失[19]，如圖10所示。液滴與空氣、固體表面接觸時(shí)，存在能量交換，固液接觸出現(xiàn)固-液-空三相界面。由于本文采用基底制冷探究表面抗結(jié)冰性能，液滴的熱量損失主要為熱傳導(dǎo)方式，液滴的凍結(jié)時(shí)間可以表示為[27]：

式中：ρw與cp分別表示水的密度與比熱容；T0為液體初始溫度；Ts為液滴實(shí)時(shí)表面溫度；Δh為單位時(shí)間內(nèi)液滴的熱能損失，表達(dá)式見式（5）。

Δ=g－l－g*(5)

式中：g為單位時(shí)間內(nèi)液滴通過液-氣接觸熱傳導(dǎo)交換的熱能；l為單位時(shí)間內(nèi)液滴在固液接觸界面處與冷固體表面交換的熱能；g*為單位時(shí)間內(nèi)液滴在固液接觸界面處與冷空氣交換的熱能。對(duì)于熱傳導(dǎo)來說，g、l、g*與傳熱面積和溫度差呈正相關(guān)，與傳熱界面熱阻呈負(fù)相關(guān)。

由式（4）可知，液體凍結(jié)時(shí)間Δ與Δ呈負(fù)相關(guān)。由于本文采用基底制冷，且液滴降溫過程中始終保持Cassie狀態(tài)，微結(jié)構(gòu)幾何參數(shù)主要影響l和g*。由于表面疏水，甚至超疏水，極大程度降低了固液接觸面積，增加了液氣接觸面積，使傳熱面積減小，且增大了空氣熱阻，導(dǎo)致l和g*減小，從而延遲了液滴的冷凍時(shí)間Δ。溝槽與方柱結(jié)構(gòu)的高度對(duì)固-液與固-氣接觸面積基本無影響，但微結(jié)構(gòu)的高度越高，液滴重心遠(yuǎn)離冷表面基底，固液截留空氣層變大，增強(qiáng)了空氣的隔熱作用，增大了熱阻，同時(shí)減小了固-液與氣-液溫度差，使l和g*減小，從而使整體Δ減小，液滴的凍結(jié)時(shí)間Δ增長。微結(jié)構(gòu)寬度與固液接觸面積呈正相關(guān)，微結(jié)構(gòu)的寬度越小，液滴的固液接觸面積越小，由于微結(jié)構(gòu)間距不變，寬度主要影響固液接觸熱傳導(dǎo)的面積，而這種熱傳導(dǎo)是液滴熱能損失的主要方式，使得Δ減小，液滴的凍結(jié)時(shí)間Δ增大，且影響程度較大。同時(shí)，對(duì)于同等高度與寬度的微結(jié)構(gòu)來說，方柱結(jié)構(gòu)比溝槽結(jié)構(gòu)具有更小的固液接觸面積與更強(qiáng)的固液截留空氣層熱阻，使Δ減小，液滴的凍結(jié)時(shí)間Δ增長。

綜上所述，疏水微結(jié)構(gòu)導(dǎo)致了更小的傳熱面積與更大的熱阻，微結(jié)構(gòu)高度的增加增強(qiáng)了熱阻，微結(jié)構(gòu)寬度減小，使傳熱面積減小，以及方柱結(jié)構(gòu)比溝槽結(jié)構(gòu)表面具有更小的傳熱面積與更強(qiáng)的熱阻，使得液滴熱能損失速率變慢，從而延遲液滴結(jié)冰時(shí)間。

2.4 結(jié)冰-融冰循環(huán)試驗(yàn)

通過結(jié)冰-融冰循環(huán)試驗(yàn)測(cè)試試件表面的穩(wěn)定性。結(jié)冰-融冰試驗(yàn)時(shí)，將試件完全放置在去離子水中，在基底溫度為–10 ℃時(shí)完全結(jié)冰，持續(xù)20 min后，室溫融化。試驗(yàn)結(jié)果如圖11所示，隨著結(jié)冰融冰次數(shù)的增加，接觸角與結(jié)冰時(shí)間呈現(xiàn)小幅度減小。其原因是，結(jié)冰-融冰循環(huán)試驗(yàn)對(duì)表面微納結(jié)構(gòu)有輕微的破壞，如圖12所示。表面部分區(qū)域由于結(jié)冰時(shí)冰的擠壓，凹坑被微小濺射物填充，減弱了固液接觸時(shí)的“氣墊效應(yīng)”，增加了液滴與試件表面的接觸面積，并減弱了空氣熱阻，從而降低了微結(jié)構(gòu)表面的疏水性，縮短了結(jié)冰時(shí)間，但微結(jié)構(gòu)表面仍具有很好的抗結(jié)冰性能。

圖11 結(jié)冰-融冰次數(shù)對(duì)靜態(tài)接觸角和結(jié)冰時(shí)間的影響

圖12 20次結(jié)冰-融冰試驗(yàn)前后表面形貌對(duì)比

3 結(jié)論

本文在鋁合金表面設(shè)計(jì)與加工了溝槽與方柱兩種微結(jié)構(gòu)陣列，觀測(cè)了其表面形貌與潤濕性，探究了微結(jié)構(gòu)幾何參數(shù)對(duì)表面液滴結(jié)冰時(shí)間的影響規(guī)律，并測(cè)試了表面的穩(wěn)定性，結(jié)論如下：

1）電火花線切割加工的溝槽與方柱結(jié)構(gòu)提高了表面的疏水性，表面均呈現(xiàn)近超疏水或者超疏水，液滴在兩級(jí)結(jié)構(gòu)上呈現(xiàn)Cassie接觸模型，以此實(shí)現(xiàn)了超疏水表面的制備。

2）微結(jié)構(gòu)表面均有著很好的延遲液滴結(jié)冰性能。微結(jié)構(gòu)高度的增加以及微結(jié)構(gòu)寬度的減小均會(huì)延遲液滴結(jié)冰時(shí)間，且微結(jié)構(gòu)寬度對(duì)結(jié)冰時(shí)間的影響更大，方柱結(jié)構(gòu)表面具有更加優(yōu)異的延遲結(jié)冰性能。

3）結(jié)冰-融冰循環(huán)試驗(yàn)表明，隨著結(jié)冰-融冰次數(shù)的增加，微結(jié)構(gòu)的表面靜態(tài)接觸角與結(jié)冰時(shí)間略有降低，但表面仍具有很好的抗結(jié)冰性能，具有一定的穩(wěn)定性。

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The Influence of Microstructure Geometric Parameters on the Icing Properties of Aluminum Alloy Surface

,,,

(Key Laboratory of the Ministry of Education on Cross-Scale Micro and Nano-Manufacturing, Changchun University of Science and Technology, Changchun 130000, China)

This paper is to prepare a stable anti-icing surface, and to explore the influence of surface microstructure geometric parameters on the surface icing performance. In this paper, aluminum alloy is used as the base material, and the wire electrical discharge machining (WEDM) is used to construct an array structure of controllable micron-sized grooves and square pillars on the surface of the material. The wettability, icing performance and stability of the sample were tested. The results show that the surface of the prepared microstructure is superhydrophobic or nearly superhydrophobic. The microstructure surface has excellent anti-icing performance, and the anti-icing performance of the square pillar structure surface is better than that of the groove structure surface. The increase in the height of the microstructure and the decrease in the width will delay the freezing time of the water droplets on the surface of the microstructure, and the width has a greater influence. The freeze-melt cycle test shows that the surface of the microstructure has a certain degree of stability. The analysis of the anti-icing mechanism shows that the two-level structure of the microstructure surface forms the “air cushion effect”, which improves the hydrophobicity of the surface and reduces the solid-liquid contact area; the height of the microstructure increases, the width decreases, and the shape changes from grooves to square pillars, which increases the heat transfer resistance, reduces the heat transfer area, and slows down the thermal energy loss of the droplets during three-phase contact, thus prolonging the freezing time. The WEDM method improves the hydrophobicity of the surface while constructing the microstructure, and the geometric parameters of the microstructure improve the anti-icing performance of the surface to varying degrees, providing a new idea for exploring new anti-icing surfaces.

wire electrical discharge machining (WEDM); geometric parameters; microstructure; superhydrophobicity; anti-icing performance; stability

2021-04-09；

2021-05-31

WAN Yan-ling (1979—), Female, Doctor, Associate professor, Research focus: micro-nano manufacturing, functional surface.

彎艷玲, 嚴(yán)燦東, 王博, 等. 微結(jié)構(gòu)幾何參數(shù)對(duì)鋁合金表面結(jié)冰性能的影響[J]. 表面技術(shù), 2022, 51(1): 272-279.

TG146.2+1

A

1001-3660(2022)01-0272-08

10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2022.01.029

2021-04-09；

2021-05-31

國家自然科學(xué)基金聯(lián)合基金項(xiàng)目（U19A20103）；吉林省科技發(fā)展計(jì)劃項(xiàng)目（20190101005JH，20180101324）

Fund：National Natural Science Foundation of China Joint Fund Project (U19A20103); Jilin Province Science and Technology Development Plan Project (20190101005JH, 20180101324)

彎艷玲（1979—），女，博士，副教授，主要研究方向?yàn)槲⒓{制造、功能表面。

WAN Yan-ling, YAN Can-dong, WANG Bo, et al. The Influence of Microstructure Geometric Parameters on the Icing Properties of Aluminum Alloy Surface[J]. Surface Technology, 2022, 51(1): 272-279.