一种仿秦岭箭竹叶疏雪脊肋状微结构

1.本发明涉及一种仿秦岭箭竹叶表面脊肋状微纳结构，该结构可以起到疏雪，防雪的作用，属于材料制备领域。


背景技术：

2.雪作为自然界常见的气候现象，往往出现在人类的艺术作品中。适量的降雪有助于冬季农作物的防寒，但是高纬度地区长时间的积雪覆盖反而会严重影响人类的生产生活。例如高海拔地区的太阳能光伏电池板，一旦长时间被雪覆盖，其光能转化效率会显著下降；对于常见的轻型钢结构房屋，过量的积雪堆积在屋顶会导致房屋所受载荷超标，一旦降雪伴随大风，屋顶上的积雪分布不均导致结构局部失稳，从而引起连锁反应导致房屋坍塌。
3.雪与冰虽然从化学成分上一致，但是其物理化学性质有显著差异。虽然超疏水，超润滑表面近年来被证实在防冰领域有着有效的作用。但是对于防雪，目前国内外很多研究表明，超疏水，超润滑表面并不能够有效降低雪的粘附力，疏雪与疏冰不可混为一谈。对于多孔隙，多形貌，多密度的雪，设计一种能够不易粘附雪，即使与雪接触也可在微力作用下轻易脱落的表面，是目前仿生表面领域的一个热点。


技术实现要素：

4.超疏水表面的研究灵感来源于的荷叶表面水滴易滚落，自清洁的效应，同样的，我们发现在海拔两千米之上的秦岭山脉中，生长的一种植物——秦岭箭竹，在冬季积雪覆盖整个秦岭山脉时，它的叶片表面依然呈现绿色，没有积雪。即使表面有少量的积雪覆盖，也能够在很微弱的震动下轻易脱落。
5.我们采用了气浮式雪粘附力测量装置测量了秦岭箭竹叶表面的雪粘附强度，并与现有文献中的常见金属，有机玻璃等材料的雪粘附强度进行对比。实验结果表明，秦岭箭竹叶片正面的雪粘附强度大致在10-15pa，而常见的金属，如铝，不锈钢，铜等的雪粘附强度均在100pa左右。有机玻璃等高分子复合材料的雪粘附强度约在30-100pa的区间内。同时，我们也对常见的防冰表面的雪粘附强度进行了测试，测得的超疏水表面雪粘附强度在20-30pa区间内。因此上述实验证明，秦岭箭竹叶正面表面微结构有优良的疏雪性能，能够显著的降低雪粘附强度。其表面疏雪性能显著优于现有其他材料表面，包括在常见防冰表面中，秦岭箭竹叶表面雪粘附强度最低。
6.本课题组曾针对秦岭箭竹背面多层不等高微纳复合结构进行研究，发现超疏水性质，可用于防冰表面的仿生制备。而本发明基于秦岭箭竹叶正面优异的疏雪特性研究，提出一种脊肋状疏雪微纳结构。
7.本发明提出的仿秦岭箭竹叶脊肋状微结构，包括(a)脊肋状微结构，(b)乳突状微结构。秦岭箭竹叶正面结构沿竹叶生长方向(纵向)呈周期性分布，每个周期由纵向的“脊”状结构与横向的“肋”状结构交错排列而成。脊状结构在每个周期内呈现“低-高-低”走势，最低处(图1编号1)与最高处(图1编号2)之间由肋状斜纹连接，整体构成若干长方形小单
元，正方形四边略高，中心处凹陷。脊状微结构中，“脊”与“脊”结构的间距z1为160-200μm之间；脊状结构最低点与最高点高度差h1为20-30μm；脊状结构最低处由半圆柱体结构平滑连接，半径r1为20-30μm；最高处宽度z2为20-30μm。肋状微结构中，“肋”与“肋”之间间距为40-50μm；肋状结构整体呈现半圆柱形，截面形状不规则，连接脊状结构高度差，因此呈现一边高一边低的截面形状(图3阴影处)；肋条宽度为10-20μm。由脊肋状结构组合形成的斜面微凹结构构成了仿秦岭箭竹叶疏雪表面第一层微结构。此外，在整个箭竹表面上有若干乳突结构(图2)覆盖。乳突结构尺寸最小，为半球状结构，尺寸为5-8μm，间距为10-16μm，均匀布满整个表面，分布在前一层结构之上，是第二层结构。
8.本发明中，上述两个结构层均可采用金属、无机非金属材料、聚合物材料来制备，金属材料如铝、铜、钢等，以及其合金材料，无机非金属材料如pdms(聚二甲基硅氧烷)、光刻胶等。
9.本发明提出一种仿秦岭箭竹叶疏雪微结构表面，这种结构能够显著降低雪粘附强度。该微结构表面疏雪机理为：
10.已有研究初步表明，雪粘附强度受表面粗糙度变化影响显著。sojoudi等人研究了铝表面不同粗糙度雪粘附强度的变化，实验结果表明，随着表面粗糙度的增加，雪粘附强度出现先增长后下降的趋势，雪粘附强度在粗糙度rms值大于200后雪粘附强度明显降低。我们采用激光共聚焦显微镜对仿秦岭箭竹叶疏雪微结构表面粗糙度进行测量，rms值区间为[250,350],说明该结构表面粗糙度下能够有效降低雪粘附强度。由于斜面凹坑结构与雪粒径粒相当，少量的雪粒会在接触表面时停留在凹坑结构中，使得雪与表面的界面粘附转变为雪与雪的粘附和雪与表面间的粘附的结合。附着在表面上的一层雪粒作为润滑层，从而有效降低雪粘附强度。
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此外，对于雪这类多孔隙，多形貌，多密度的介质，学界通常将雪根据其水含量(lwc)分为干雪与湿雪。目前普遍将-1℃作为区分干湿雪的临近温度，低于这个温度可认为是干雪，高于这个温度认为是湿雪。对于干雪的疏雪机制前面已经提到，对于湿雪，雪样中的lwc含量较高，雪中游离水会由于重力的作用在雪与表面间形成水膜。仿秦岭箭竹叶疏雪微结构的斜面凹坑结构利于水膜的铺展，水膜被固定在结构表面，使得固-固界面转变为固-液界面，有效降低湿雪粘附。
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粘附功为将两种介质a，b的单位面积从接触到分开至无穷远距离时自由能的变化。粘附力实质是由分子间相互作用引起的，表现为范德华力，静电力，共价键等作用力的合力。这些力，例如范德华力，对原子间距非常敏感，因此固体表面的粗糙度使得实际接触只发生在接触面积很小一部分粗糙峰上。仿秦岭箭竹叶疏雪微结构表面布满半球状乳突结构，因此雪粒与表面间相互作用力仅发生在乳突状结构表面，真实接触面积大大减小，从而使得粘附力进一步降低。
附图说明
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图1是仿秦岭箭竹叶疏雪脊肋状微结构轴测图。
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图2是仿秦岭箭竹叶疏雪脊肋状微结构俯视图。
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图3是仿秦岭箭竹叶疏雪脊肋状结构截面图，阴影部分为肋结构。
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图4是仿秦岭箭竹叶疏雪脊肋状结构截面尺寸图。
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具体实施方法
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下列实施案例进一步描述和证明了本发明范围内的优选实施方案。所给的这些实例仅仅是说明性的，不可理解为是对本发明的限制。
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具体实施案例1：
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仿秦岭箭竹叶脊肋状微结构由箭竹叶二次复形制备形成。使用pdms覆盖于箭竹叶表面，固化后脱模形成负模板。使用环氧树脂对pdms负模板二次复形，制备获得脊肋状微结构。第一层脊状结构间距为200微米，脊状结构与肋状结构宽度均为30微米，脊状结构高度差为20微米。最高脊状结构与最低结构之间由斜面平滑过渡，结合肋状结构形成方形凹坑。乳突结构覆盖于第一层结构之上，平均直径为3微米。
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具体实施方式2
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基底与微结构表面由铝制备，采用飞秒激光加工。第一层为脊肋状周期结构构成的高低交错的斜面结构。脊状结构间距为180微米，脊状结构宽度为30微米，肋状结构宽度为20微米，脊状结构高度差为30微米，最低处与最高处由斜面连接，结合肋状结构形成斜面凹坑结构。第二层乳突结构简化为半球状结构，直径为5微米，覆盖于第一层结构之上。基底材料层上表面为光滑表面。
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疏雪性能测试
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针对实例一制备获得的具有仿秦岭箭竹叶脊肋状微结构的环氧树脂材料进行雪粘附强度对比测试。采用气浮式雪粘附测量装置对具有仿秦岭箭竹叶脊肋状微结构的环氧树脂材料以及无结构纯环氧树脂表面进行雪粘附强度测量。同时测量了常见材料：6061铝，铜，有机玻璃，超疏水涂料，用以对比本发明结构疏雪性能。实验结果显示，有仿秦岭箭竹叶脊肋状微结构的环氧树脂材料雪粘附强度为40pa左右，相较于纯环氧树脂雪粘附强度(110pa)下降64％。6061铝，铜，有机玻璃，超疏水涂料的雪粘附强度分别为140pa,120pa,65pa,60pa。被测试样中具有仿秦岭箭竹叶脊肋状微结构的环氧树脂材料具有最低的疏雪强度，该结构能够有效提高材料的疏雪性能。