结霜的现象普遍存在于空调、航空航天等领域,会直接对换热设备的正常工作运行和维护造成不利的影响,严重时会对换热器设备本身造成损害,增加了换热器设备的运行和正常维护的成本。近年来,研究人员运用了很多先进的方法来有效应对设备表面的各种结霜问题,如在换热器端安装加热器,超声波除霜以及采用磁场除霜等,这些先进的方法对换热器设备表面的各种结霜问题可以起到一定积极的作用,但额外增加的除霜设备增加了换热器设备的成本和换热器的运行维护费用,且额外增加的设备本身需要定期维护,使得换热设备的系统更加复杂。因此,深入研究冷表面上的结霜和抑霜的实际作用机理,从材料本身的角度出发,制备一种具有良好抑霜性能的换热器材料也是必要的。研究表明,表面特性对换热器表面的结霜/抑霜过程产生不同影响,为研究不同表面特性对冷面结霜及抑霜的影响,搭建了结霜实验台,运用半导体制冷器为试验件表面提供冷量,对不同表面特性的金属表面的结霜/抑霜过程进行可视化研究,运用化学刻蚀-沸水氧化法制备了具有微米-纳米复合结构的表面微细结构,分别考察亲水表面和疏水表面的抑霜性能。为了考察具有亲水性质的金属表面对结霜以及融霜过程的影响,对裸铝金属表面、粗糙金属表面和腐蚀金属表面的结霜以及融霜过程分别进行了深入的实验分析研究,对不同时期霜晶的生长过程进行了观测。实验结果表明:在一次结霜的过程中,裸铝金属表面的平均霜晶生长高度明显地高于腐蚀金属表面和粗糙金属表面。在二次结霜的过程中,裸铝金属表面由于融霜液滴的局部聚集,导致平均霜晶高度明显地增加;腐蚀金属表面由于具有较好的亲水性质所以表现出较好的抑霜性能;粗糙金属表面上霜晶颗粒细小,沿平面方向分布均匀,在表面形成了一次质密且较为坚硬的“冰面”。两次融霜过程中,腐蚀金属表面的平均融霜时间比粗糙金属表面的融霜时间减少了38.2%,可见具有亲水性质的腐蚀金属表面具有较好的抑霜性能。为了从微观上揭示超疏水表面的抑霜机理。运用化学刻蚀法制备微纳复合结构超疏水铝表面;在制冷实验台上对试件结霜过程进行微观可视化观测,并进一步分析了试件的霜晶生长的演化规律;将超疏水铝片冷面温度分别设置为-5℃、-10℃和-15℃三个档次;通过对比普通铝片和超疏水铝片表面的霜晶高度与霜晶质量,结合相变动力学、经典成核理论、传热与传质理论解释相关结霜与抑霜机理。在不同的实验阶段及不同的实验温度条件下,超疏水铝表面本身的抑霜效果虽然有差异,但是相比较普通表铝面的抑霜特性,超疏水铝表面都具有一定的抑霜效果,结霜过程整体滞后;霜层高度发展相对缓慢,实验进行了10分钟后超疏水表面上的霜层高度只有普通表面的35%。由于冷凝水珠在冷表面上形成Wenzel状态,水珠浸润在微细结构中,在一定的条件下,超疏水铝表面可有效延缓冷凝水珠的生成,从而抑制结霜;在结霜后期,当冷凝水珠冻结且在表面上布满霜晶后,抑霜效果相对恶化;普通铝表面在经月桂酸修饰后也具有一定的抑霜性能,但效果明显弱于具有微纳复合结构的超疏水表面,因此建议在制作表面有抑霜需求的材料的时候,可以以延缓冷凝水珠的生成为技术手段,制作合适的表面微纳结构,以期达到最大程度地抑霜目的。大量理论和研究的结果表明,超疏水表面在抑霜方面具有广阔的市场和应用前景。然而,其界面特性对于抑霜的透彻机理鲜有报道,且在不同工况下特别是受雾霾影响下的抑霜性能几乎没有系统性的研究。本课题采用化学刻蚀-氧化法来简化超疏水铝基表面的制备工艺,旨在实现超疏水金属表面在各种工业和科学领域的广泛应用。通过广泛的理论和实验分析发现,在金属表面上构筑具有微米和纳米复合结构的超疏水表面,其抑霜性能最佳,不仅可以延缓冷凝水珠的生成,还可以降低冷凝水珠冻结的速率。为了系统地研究超疏水表面的抑霜性能,设计了在有无雾霾影响下、不同工况的结霜实验。证明了其优异的防冰性能。在受雾霾的影响下,尽管雾霾中的微小颗粒物增加了冷凝水珠的形成速率,但在实验进行15分钟后,超疏水表面上霜晶高度只有普通表面的24.5%,抑霜效果明显。因此,本文提出了一种简单、低成本且高效率的方法,使超疏水表面应用于广阔的领域成为现实。图[26]表[3]参[81]