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凝聚态物理 > 软凝聚态物理

arXiv:1809.00490 (cond-mat)
[提交于 2018年9月3日 ]

标题: 赋予基底柔韧性以实现防冰性

标题: Imparting icephobicity with substrate flexibility

Authors:Thomas Vasileiou, Thomas M. Schutzius, Dimos Poulikakos
摘要: 冰的积聚会妨碍地面和空中的基础设施性能,并对其安全构成威胁。 以前,合理设计的超疏水表面已显示出作为被动手段减轻冰沉积的一些潜力;然而,迫切需要进一步研究能够减少过冷液滴的侵入和接触时间的材料解决方案,并且还能排斥在表面接触时冻结的液滴。 在这里,我们展示了基底柔韧性和表面纳米纹理的协同效应,以增强防冰性和粘性液滴的排斥性。 我们首先研究了增加粘度对侵入阻力和撞击后液滴-基底接触时间的影响。 然后我们检查了液滴部分固化对回弹的影响,并通过将过冷水滴撞击到含有冰成核促进剂的柔性及刚性表面上来模拟更具挑战性的结冰条件。 我们展示了一种被动机制,在这种情况下,部分固化发生得比自然液滴振荡快得多,该机制不依赖于将液滴表面能转化为动能。 使用基于能量的模型,我们发现了一种此前未被探索的机制,其中基底振荡和速度控制回弹过程,低面积密度和中等刚度的基底有助于有效吸收入射液滴的动能并将其重新导向,使液滴能够克服粘附力和重力,从而回弹。 这一机制适用于各种粘度的液滴,从低粘度到高粘度流体甚至冰浆,这些液滴不会从刚性超疏水基底上回弹。
摘要: Ice accumulation hinders the performance of, and poses safety threats for infrastructure both on the ground and in the air. Previously, rationally designed superhydrophobic surfaces have demonstrated some potential as a passive means to mitigate ice accretion; however, further studies on material solutions that reduce impalement and contact time for impacting supercooled droplets and can also repel droplets that freeze during surface contact are urgently needed. Here we demonstrate the collaborative effect of substrate flexibility and surface nanotexture on enhancing both icephobicity and the repellency of viscous droplets. We first investigate the influence of increased viscosity on impalement resistance and droplet-substrate contact time after impact. Then we examine the effect of droplet partial solidification on recoil and simulate more challenging icing conditions by impacting supercooled water droplets onto flexible and rigid surfaces containing ice nucleation promoters. We demonstrate a passive mechanism for shedding partially solidified droplets under conditions where partial solidification occurs much faster than the natural droplet oscillation which does not rely on converting droplet surface energy into kinetic energy. Using an energy-based model, we identify a previously unexplored mechanism whereby the substrate oscillation and velocity govern the rebound process, with low-areal density and moderately stiff substrates acting to efficiently absorb the incoming droplet kinetic energy and rectify it back, allowing droplets to overcome adhesion and gravitational forces, and recoil. This mechanism applies for a range of droplet viscosities, spanning from low to high viscosity fluids and even ice slurries, which do not rebound from rigid superhydrophobic substrates.
主题: 软凝聚态物理 (cond-mat.soft) ; 材料科学 (cond-mat.mtrl-sci)
引用方式: arXiv:1809.00490 [cond-mat.soft]
  (或者 arXiv:1809.00490v1 [cond-mat.soft] 对于此版本)
  https://doi.org/10.48550/arXiv.1809.00490
通过 DataCite 发表的 arXiv DOI
期刊参考: Langmuir, 2017, 33 (27), pp 6708-6718
相关 DOI: https://doi.org/10.1021/acs.langmuir.7b01412
链接到相关资源的 DOI

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来自: Thomas Schutzius [查看电子邮件]
[v1] 星期一, 2018 年 9 月 3 日 08:29:21 UTC (2,836 KB)
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