[发明专利]一种仿秦岭箭竹叶疏雪脊肋状微结构

说明书

本发明公开了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。该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。所述脊肋状微结构(a)整体在纵向呈周期性分布，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；与最高处；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；由脊肋状结构组合形成的斜面微凹结构构成仿秦岭箭竹叶疏雪表面第一层微结构，即脊肋状微结构(a)；所述乳突状微结构(b)均匀分布在整个脊肋状微结构(a)表面上，是第二层结构。本发明详细分析了该微结构表面疏雪机理并且实例数据证明了其能够显著降低雪粘附强度。

技术领域

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

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。

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。

发明内容

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。

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。

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。