本发明涉及涂层材料，特别涉及一种兼具光热性能和稳定性的多尺度超疏水表面及其制备方法。
背景技术：
1、结冰是低温环境中常见的自然现象，当温度低于0℃，水会由于过冷而结冰。对于户外基础设施，如电缆、交通设备、风力发电机叶片等，积冰或积霜将严重影响其工作效率和安全性。常见除冰方法有机械除冰、化学除冰、电加热除冰和电脉冲除冰。上述除冰方法存在高成本、耗能和污染环境等缺陷。
2、受“荷叶效应”的启发，超疏水表面由于其独特的固液接触状态被认为具有优异的防除冰性能，主要表现在动态除冰、延缓结冰和降低冰附着强度。但当表面长时间暴露在低温环境中时，结冰是不可避免的。一种有效的解决办法是将光热效应和超疏水性相结合，通过吸收太阳辐射提高表面温度以维持在低温下的防除冰性能，同时超疏水性可以将融化的水快速排出以维持光热性能。
3、然而，目前提出的大多数光热超疏水表面，都忽略了液滴在结冰和融化过程中的润湿性转变。在低温和高湿度环境下，液滴将不可避免的渗透进表面结构，使液滴从cassie状态转变为wenzel状态。然而处于wenzel状态的冰滴在融化后可能无法恢复为cassie状态。这种互锁的接触状态不仅阻碍融化的液滴从表面快速滑落，还会造成严重的表面损伤。因此实现融化过程的cassie状态稳定性对提高光热超疏水表面的防除冰性能具有十分重要的意义。
技术实现思路
1、本发明提供了一种兼具光热性能和稳定性的多尺度超疏水表面及其制备方法，其目的是为了解决背景技术存在的上述问题。
2、为了达到上述目的，本发明的实施例提供了一种兼具光热性能和稳定性的多尺度超疏水表面及其制备方法，该方法通过刻蚀、原位氧化和旋涂成功在金属基底上制备了一种具光热性能和稳定性的多尺度超疏水表面(e/o@tin)。该多尺度超疏水表面结构使液滴在融化后可完全恢复为初始的cassie状态。同时金属氧化物的本征高吸收性能和tin纳米颗粒的等离激元共振，使得e/o@tin具有高太阳光吸收率0.925。由于优异的超疏水性和光热性能，在太阳光照下，冰滴在121s内即可从倾斜7°的e/o@tin上快速滑落；4mm厚的霜层在241s可完全融化同时表面保持干燥；结冰延迟时间可以从21s延长至123s。本发明同时实现了融冰过程的cassie状态稳定性和优异太阳光吸收性能，有助于光热超疏水表面的在防除冰应用的实际发展。
3、本发明的实施例提供了一种兼具光热性能和稳定性的多尺度超疏水表面的制备方法，包括如下步骤：
4、s1：对金属基底进行预处理；
5、s2：将预处理后的金属基底浸入氯化铁蚀刻液中，进行化学刻蚀，得到具有微米尺寸的表面；
6、s3：将所述具有微米尺寸的表面转移至管式炉中，加热进行原位氧化反应。合金通过原位氧化处理后可生成致密且均匀的纳米尺度金属氧化物，从而形成具有微纳米尺度的双尺度结构表面，同时生成的金属氧化物具有较高的太阳光吸收率；
7、s4：将tin溶液通过旋涂均匀涂覆在所述具有微纳米尺度的多级结构表面，经过干燥处理后，得到兼具光热性能和稳定性的多尺度超疏水表面，即e/o@tin。
8、优选地，步骤s1中，预处理过程具体包括将金属基底在95％乙醇中抛光和超声清洗5分钟，并用吹风机吹干金属基底的表面。
9、优选地，步骤s1中，金属基底按重量份计包括如下组分：fe 67.5～74wt.％、cr 18～20wt.％、ni 8～10.5wt.％和mn<2.0wt.％。
10、优选地，步骤s2中，氯化铁蚀刻液由2mol/l fecl3、37％hcl和30％h2o2按体积比为15：1：1混合组成。
11、优选地，步骤s2中，在室温下刻蚀20～40min。
12、优选地，步骤s3中，以600℃/h的升温速率加热至500～800℃；原位氧化反应时间2h。
13、优选地，旋涂转速4000rpm，旋涂次数3～7次；干燥温度90℃，干燥时间2h。
14、优选地，步骤s4中，tin溶液配置过程为：将2wt.％20nm的tin纳米颗粒和1wt.％1h,1h,2h,2h-全氟辛基三乙氧基硅烷，在无水乙醇中混合搅拌制备得到。
15、基于一个发明总的构思，本发明的实施例提供了上述的制备方法获得的的一种兼具光热性能和稳定性的多尺度超疏水表面。
16、优选地，所述多尺度超疏水表面的接触角(ca)高达163°，滚动角(sa)低至2.5°，太阳光吸收率高达0.925。
17、本发明的上述方案有如下的有益效果：
18、(1)本发明的上述方案首先通过刻蚀和原位氧化处理构建出微纳米分级结构，再旋涂tin纳米颗粒制备出e/o@tin，通过多尺度的表面结构、金属氧化物和tin纳米颗粒的协同作用，使得e/o@tin具有优异的超疏水性和光热性能，如e/o@tin的接触角、滚动角和太阳光吸收率可分别达到163°±1.1°、2.5°±0.6°和0.925。
19、(2)相较于单一尺寸和双尺度的超疏水表面，e/o@tin确保了更稳定的超疏水性并且冰滴在e/o@tin表面融化后可以完全恢复cassie状态。由于融化过程中的cassie状态稳定性和高太阳光吸收率使得e/o@tin具有优异的防除冰性能：在太阳光照下，冰滴在121s内即可从倾斜7°的e/o@tin上快速滑落，同时对于4mm厚的霜层在241s可完全融化并保持干燥。此外，优异的超疏水性有效延缓了结霜过程，液滴在-20℃下的结冰延迟时间从21s延长至123s。
20、(3)相较于其他光热超疏水表面的制备方法，例如激光刻蚀、逐层沉积等，本发明仅需通过化学刻蚀、原位氧化和旋涂处理即可在金属表面快速且低成本制备光热超疏水表面，同时实现了融冰过程的cassie状态稳定性和优异太阳光吸收性能，有助于光热超疏水表面的在防除冰应用的实际发展。
1.一种兼具光热性能和稳定性的多尺度超疏水表面的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
2.根据权利要求1所述的一种兼具光热性能和稳定性的多尺度超疏水表面的制备方法，其特征在于，步骤s1中，预处理过程具体包括将金属基底在95％乙醇中抛光和超声清洗5分钟，并用吹风机吹干金属基底的表面。
3.根据权利要求1所述的一种兼具光热性能和稳定性的多尺度超疏水表面的制备方法，其特征在于，步骤s1中，金属基底按重量份计包括如下组分：fe 67.5～74wt.％、cr 18～20wt.％、ni 8～10.5wt.％和mn<2.0wt.％。
4.根据权利要求1所述的一种兼具光热性能和稳定性的多尺度超疏水表面的制备方法，其特征在于，步骤s2中，氯化铁蚀刻液由2mol/l fecl3、37％hcl和30％h2o2按体积比为15：1：1混合组成。
5.根据权利要求1所述的一种兼具光热性能和稳定性的多尺度超疏水表面的制备方法，其特征在于，步骤s2中，在室温下刻蚀20～40min。
6.根据权利要求1所述的一种兼具光热性能和稳定性的多尺度超疏水表面的制备方法，其特征在于，步骤s3中，以600℃/h的升温速率加热至500～800℃；原位氧化反应时间2h。
7.根据权利要求1所述的一种兼具光热性能和稳定性的多尺度超疏水表面的制备方法，其特征在于，步骤s4中，旋涂转速4000rpm，旋涂次数3～7次；干燥温度90℃，干燥时间2h。
8.根据权利要求1所述的一种兼具光热性能和稳定性的多尺度超疏水表面的制备方法，其特征在于，步骤s4中，tin溶液配置过程为：将2wt.％20nm的tin纳米颗粒和1wt.％1h,1h,2h,2h-全氟辛基三乙氧基硅烷，在无水乙醇中混合搅拌制备得到。
9.如权利要求1～8任一项所述的制备方法获得的的一种兼具光热性能和稳定性的多尺度超疏水表面。
10.根据权利要求9所述的一种兼具光热性能和稳定性的多尺度超疏水表面，其特征在于，所述多尺度超疏水表面的接触角高达163°，滚动角低至2.5°，太阳光吸收率高达0.925。
