摘要
结露和结霜是发生在气/固界面上的气-液/气-固相变行为，往往会导致工程设备效率降低，能耗增加，因此预防或延迟结露结霜现象的发生具有重要意义。竹叶的正反表面在相同的环境条件下表现出不同的结露/结霜行为，为探究其原因，本文对竹叶的微观形貌、润湿性和结露结霜行为进行了观测。研究发现，蜡质层、纳米针状结构以及表面润湿性的差异是引起竹叶正反两面结露结霜性能不同的原因。对于竹叶反面，高接触角增大了水蒸气相变成核时的热力学势垒；蜡质层和较小的接触面积减小液滴的阻滞功，纳米针状结构提供较大的拉普拉斯压力驱使液滴向上运动，因此微液滴合并释放的表面能驱动液滴发生弹跳，延缓了结露过程。微液滴在竹叶表面的实际接触面积会影响结霜过程中的液滴冻结和霜晶生长，相比竹叶正面，与微液滴接触面积更小的竹叶反面具有更优的抗结霜性能。 为进一步探究竹叶表面的结露结霜特性与微结构、低表面能及润湿性的联系，基于竹叶表面的微观形貌设计了仿生结构。采用电火花线切割加工构建仿生结构Ⅰ，采用激光加工和溶胶凝胶-水热法构建仿生结构Ⅱ，以润湿性为评价标准优化加工参数，实现仿生结构表面的制备。 采用结露结霜试验台对仿生表面的结露结霜性能进行测试。结果表明，增加材料表面的疏水性能可以增大水蒸气成核时的热力学势垒，从而延缓水蒸气成核；低表面能和纳米针状结构减小了液滴的阻滞功，液滴合并释放的表面能可以驱动液滴自发弹跳从而脱离试样表面。在结霜过程中，微液滴在试样表面的实际接触面积会影响微液滴的冻结速率，接触面积越小冻结速率越慢；冻结液滴的接触状态会影响水蒸气的传热过程，从而对霜晶生长造成影响。
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