作品名稱：屋檐防冰錐設(shè)計(jì)
學(xué)校名稱：內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)職業(yè)技術(shù)學(xué)院
參賽隊(duì)伍：創(chuàng)奇團(tuán)隊(duì)
參賽學(xué)生：郭健 柳振宇 徐潔慧
指導(dǎo)老師：牛文學(xué) 劉志強(qiáng)
針對(duì)高緯度地區(qū)的冬天，房屋外壁積雪融化，在晚上形成倒圓錐式的冰錐是一個(gè)非常普遍的現(xiàn)象，也幾乎是無法避免的自然現(xiàn)象,在冬季為了防止屋檐形成冰錐，有很多的裝置設(shè)計(jì)，但是都有著耗能高、結(jié)構(gòu)復(fù)雜等問題，設(shè)計(jì)一種高效簡(jiǎn)單新型屋檐防冰錐結(jié)構(gòu)。
一、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
安裝架，坡度為30°的疏水板、疏水涂料、石墨烯加熱膜由四部分構(gòu)成。
1.安裝架
其中安裝架支撐疏水板并使疏水板保持向下傾斜的狀態(tài)。
2.疏水板：
表面涂覆疏水涂層的疏水板具有良好的疏水性能，在太陽(yáng)光的照射下，石墨烯膜層會(huì)加熱亞克力面板，這可以使得落在疏水板上的積雪及時(shí)融化，雪水順著疏水板流下，不僅不會(huì)有殘留，而且會(huì)帶走疏水板表面的污漬，實(shí)現(xiàn)自清潔的目的，從而防止白天形成冰錐。
3.納米疏水涂料：
納米超疏水涂層的自清潔原理是基于“荷葉效應(yīng)”。20 世紀(jì)90 年代，德國(guó)植物學(xué)家波恩大學(xué)Barthlott等揭示了荷葉表面的結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)荷葉的“自潔性”源于其表面的納米結(jié)構(gòu)，荷葉表面是有微米級(jí)的乳突，乳突上有納米級(jí)的蠟晶物質(zhì)，這種納米級(jí)的粗糙結(jié)構(gòu)可以大幅度提高水滴在其上的接觸角，導(dǎo)致水珠隨著物體搖擺極易滾動(dòng)。水珠在超疏水表面上的運(yùn)動(dòng)是一個(gè)復(fù)雜的物理現(xiàn)象，在自清潔過程中起到了一個(gè)至關(guān)主要的作用：水珠在表面滾動(dòng)時(shí)會(huì)帶走表面的污染物。
所需材料：
改性全氟聚醚一份：14％；
氟碳溶液(I)各三份：24.6％；
硅烷偶聯(lián)劑一份：1.3％；
氟碳溶劑(II)一份：41.5％；
酰氟二聚體一份：4.6％；
無水甲醇各兩份：14％。
制備過程：
在反應(yīng)釜中投入改性全氟聚醚、氟碳溶劑(I)和硅烷偶聯(lián)劑反應(yīng)，設(shè)定反應(yīng)溫度為40°C，反應(yīng)時(shí)間2小時(shí)，同時(shí)控制環(huán)境濕度為30±5％，溫度20±5°C。
將反應(yīng)產(chǎn)物和原材料配比中的無水甲醇加入到分液漏斗中，搖勻后靜置，分液漏斗中的液體分為兩層，上層液體為未反應(yīng)的硅烷偶聯(lián)劑，下層液體為目標(biāo)產(chǎn)物層，將下層液體分離出來，然后采用旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)器旋蒸出多余的氟碳溶劑，旋蒸溫度為40°C，旋蒸至產(chǎn)物重量不再減少為止，備用。
將處理完成的產(chǎn)物與氟碳溶劑(I)和酰氟二聚體按照原材料的質(zhì)量比依次投入到反應(yīng)釜，設(shè)定反應(yīng)溫度為40°C，反應(yīng)時(shí)間2小時(shí)，同時(shí)控制環(huán)境濕度為30±5％，溫度20±5°C。
將上一步反應(yīng)產(chǎn)物與無水甲醇、氟碳溶劑(I)按照原材料的質(zhì)量比依次投入到反應(yīng)釜，反應(yīng)30min，反應(yīng)完成后靜置分層，分離出上層液體，下層液體為反應(yīng)產(chǎn)物。將上一步反應(yīng)產(chǎn)物中多余的氟碳溶液(I)蒸餾出來，旋蒸溫度設(shè)定為30°C，旋至重量不再減輕為止。反應(yīng)產(chǎn)物使用氟碳溶劑(II)稀釋到指定濃度，即可得到本發(fā)明的納米疏水涂層。
4. 石墨烯加熱膜
近年來，隨著材料技術(shù)的進(jìn)步，利用高效節(jié)能的電熱材料，石墨烯材料自從在2004年被發(fā)現(xiàn)以來，在各個(gè)領(lǐng)域都受到了廣泛的關(guān)注。石墨烯作為二維片面結(jié)構(gòu)的發(fā)熱材料，其電阻率比銅和銀更低，只有約10-6 Ω·cm，具有良好的導(dǎo)熱和導(dǎo)電性能，導(dǎo)熱系數(shù)高達(dá)5300 W/m·K ,作為加熱元件時(shí)可以與復(fù)合材料很好的貼合，且不會(huì)改變材料的結(jié)構(gòu)，同時(shí)具有重量輕、加熱均勻、熱響應(yīng)快等優(yōu)點(diǎn)，在電熱領(lǐng)域有十分廣闊的應(yīng)用前景。
石墨烯作為一種高機(jī)被強(qiáng)度、高導(dǎo)熱導(dǎo)電性等優(yōu)異特性的二維碳原子材料，其特性使其在復(fù)合材料、電熱領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景，尤其是高導(dǎo)熱性引起了國(guó)內(nèi)外學(xué)者的興趣
2004年 首次發(fā)現(xiàn)了石墨烯，獲得方法是機(jī)械剝離法，"發(fā)現(xiàn)其具備優(yōu)異的高導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性，這一發(fā)現(xiàn)引發(fā)了相關(guān)領(lǐng)域?qū)＜业年P(guān)注。Raghu制備得到石墨烯和聚氦酯復(fù)合物，研究結(jié)果認(rèn)為石墨烯具有增加導(dǎo)電性的作用，但其導(dǎo)電性與含量有關(guān)，超過一定含量時(shí)，整體復(fù)合材料的導(dǎo)電性能變化運(yùn)漸趨于平緩。JiH開發(fā)了一種具有除冰性能的多功能石墨燔復(fù)合材料，石墨烯填料娛磨均勻分散在聚合物中。用不同含量的石墨烯測(cè)量了石顯烯復(fù)合材料的電學(xué)性能，此外對(duì)石墨烯復(fù)合材料進(jìn)行了電加熱試驗(yàn)。由于該復(fù)合材料具有較高的導(dǎo)電性，采用低電功率的電加熱可以使復(fù)合材料迅速升溫至200℃．因此將石墨烯加到復(fù)合材料中理論上說可以增強(qiáng)材料的熱學(xué)性能。綜合以上研究結(jié)果來看，石墨烯可以有效提高復(fù)合材料導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性。
石墨烯薄膜的制備方法按石墨烯初始物態(tài)可分為溶液成膜和化學(xué)氣相沉積法( CVD）成膜兩大類。其中，溶液成膜類的方法有真空抽濾法、旋涂法以及自組裝法等， CVD 成膜類的方法有常壓 CVD 法、等離子體輔助化學(xué)沉積法、激光輔助化學(xué)沉積法以及金屬有機(jī)化學(xué)沉積法等。
