李嘉琪，李航，虞跨海，薛玉君

（河南科技大學(xué) a.機(jī)電工程學(xué)院 b.土木工程學(xué)院 c.河南省機(jī)械設(shè)計及傳動系統(tǒng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河南 洛陽 471003）

月球車作為一種能在月球登陸，并能對月球表面進(jìn)行觀察、分析和采樣的太空探測器，是人們對月球探索的重要工具。太陽能光伏電池作為月球車的能源裝置，面積較大且表面被光伏玻璃覆蓋，在月球車的使用中極為重要。月球表面環(huán)境惡劣，巖石在惡劣的環(huán)境中被粉末化，在月球的表面形成一層月壤，其中，顆粒直徑在1 mm 以下的被稱為月塵[1]。在月球表面，月塵被揚(yáng)起后會沉積在太陽能光伏電池表面，降低光伏玻璃的透光性，導(dǎo)致太陽能光伏電池的發(fā)電效率降低，給月球車的使用帶來巨大的影響。在月球勘測任務(wù)期間，勘測者 3 號的太陽能光伏電池累積了約1 mg/cm2的月塵[2]。阿波羅14 號月球車的太陽能光伏電池在幾天中沉積了約0.1 g/cm2的月塵，導(dǎo)致太陽能發(fā)電效率降低了2%[3]。阿波羅15 號月塵探測裝置顯示，月塵的沉積導(dǎo)致太陽能光伏電池在一年內(nèi)的發(fā)電效率降低16%[4]。因此，研究月塵在月球車太陽能光伏電池表面的沉積非常重要。

目前，減少月塵在太陽能光伏電池表面沉積的方法主要有：防塵罩和防塵板，在月球車外表面加裝機(jī)械裝置，阻擋月塵在太陽能光伏電池表面的沉積[5-6]；噴氣除塵，使用高壓氣流對太陽能光伏電池表面進(jìn)行沖刷，去除表面沉積的月塵[7-8]；電簾除塵，在太陽能光伏電池表面安裝一定規(guī)律排列的平行電極，施加一定頻率的電場后，使用靜電力去除沉積的月塵[9-12]。例如，在實(shí)際應(yīng)用中，阿波羅號探測器使用防塵罩減少了月塵在太陽能光伏電池表面的沉積，在太陽能光伏電池不工作時，通過電動控制，使防塵罩張開，減少月塵的沉積。但這些方法在使用過程中會存在一些問題。防塵罩和阻塵板無法在太陽能光伏電池工作時使用，還會增加月球車的質(zhì)量，并且容易發(fā)生機(jī)械故障。噴氣除塵系統(tǒng)會增加月球車的質(zhì)量，并且氣體無法循環(huán)使用，除塵效率較低。電簾除塵技術(shù)易發(fā)生故障，并且會消耗月球車的能源，使用效果不佳。

表面自清潔技術(shù)是一種“仿生”技術(shù)，來源于自然界中的荷葉[13]。荷葉表面布滿了帶有柱狀凸起的微結(jié)構(gòu)，可以大幅度增加水和表面的接觸角，具有較好的疏水性。許多學(xué)者通過刻蝕、鍍膜、涂層、電鍍、化學(xué)反應(yīng)、噴砂等方法，在玻璃、金屬上模仿荷葉表面，制備出具有一定自清潔性能的表面微結(jié)構(gòu)[14-19]，用于提高表面的疏水性，這種結(jié)構(gòu)也稱為表面微織構(gòu)。也有學(xué)者研究了表面微織構(gòu)如何在干燥環(huán)境下降低灰塵沉積。PAN 等[20]使用化學(xué)涂層法在光伏玻璃表面制備出3 種具有表面微織構(gòu)的薄膜，可以減少灰塵在光伏玻璃表面的沉積。WANG 等[21]在光伏玻璃表面制備出具有表面微織構(gòu)的硅基超疏水薄膜和氟基超疏水薄膜，發(fā)現(xiàn)超疏水薄膜可以減少灰塵在光伏玻璃表面的沉積，提高發(fā)電效率。FATHI 等[22]在光伏玻璃表面制備出具有表面微結(jié)構(gòu)的納米涂層，試驗(yàn)后發(fā)現(xiàn)，納米涂層可以減少灰塵的沉積并提高發(fā)電效率。這些研究表明，通過在玻璃表面制備出微織構(gòu)可以減少灰塵的沉積。自清潔表面的制備方法主要有兩種，一是表面改性，即在表面制備出涂層、鍍膜等微織構(gòu)；另一種是經(jīng)過機(jī)械加工后再進(jìn)行表面改性，即先使用機(jī)械加工制備出微織構(gòu)，然后在微織構(gòu)上進(jìn)行表面改性。這兩種方法本質(zhì)上都是通過表面改性，在表面制備出微織構(gòu)，同時降低表面自由能，達(dá)到自清潔的目的。但這兩種方法制備的微織構(gòu)的機(jī)械性能較差、容易被破壞，加工可控厚度的微織構(gòu)難度較大，使用效果不佳[23]。

針對以上兩種制備方法存在的問題，作者提出不使用表面改性，僅使用機(jī)械加工的方法在光伏玻璃表面制備微織構(gòu)，減少月塵的沉積，提高自清潔性能，這種加工方法簡單快捷，機(jī)械強(qiáng)度較高，結(jié)構(gòu)形狀可控，是自清潔表面技術(shù)研究的新方向。本文使用機(jī)械加工法在光伏玻璃表面制備出微織構(gòu)，使用火山灰?guī)r石制備模擬月塵，搭建月塵沉積試驗(yàn)系統(tǒng)，使用含表面微織構(gòu)的設(shè)計試樣與不含表面微織構(gòu)的對比試樣，進(jìn)行月塵沉積試驗(yàn)，旨在探究工作角度、月塵量和表面微織構(gòu)的結(jié)構(gòu)形狀，對光伏玻璃表面微織構(gòu)自清潔性能的影響。

1 試驗(yàn)

1.1 材料

設(shè)計試樣為含有表面微織構(gòu)的光伏玻璃。光伏玻璃的表面微織構(gòu)是特定形狀、排布規(guī)律的柱狀凸起（以下簡稱為表面微織構(gòu)），包括圓形表面微織構(gòu)、正方形表面微織構(gòu)與正六邊形表面微織構(gòu)。月表環(huán)境中，月塵顆粒通常是指顆粒直徑在1 mm 以下的月塵，通過對直徑1 mm 以下的月塵顆粒進(jìn)行篩分，其平均粒徑約為70 μm，約50%的月塵顆粒直徑為10～90 μm，并且月塵顆粒的形狀不規(guī)則，表面粗糙度較大[24]。在制定表面微織構(gòu)的設(shè)計方案時，為了減少月塵顆粒和表面微織構(gòu)的接觸面積，考慮柱狀凸起結(jié)構(gòu)的直徑與間距遠(yuǎn)小于絕大部分月塵顆粒的直徑，故設(shè)計微織構(gòu)的尺寸在5 μm 以下。同時考慮到結(jié)構(gòu)尺寸太小會增加加工難度，并且結(jié)構(gòu)形狀不容易控制。最終設(shè)計柱狀凸起微織構(gòu)最大直徑為5 μm，且以5 μm的間距均勻排布。

采用離子束刻蝕技術(shù)在光伏玻璃（以下簡稱為玻璃）表面制備表面微織構(gòu)。經(jīng)過清洗及干燥后，得到8 mm×8 mm 的正方形玻璃片，中心處2 mm×2 mm 的方形區(qū)域?yàn)楸砻嫖⒖棙?gòu)，如圖1 所示。設(shè)計的試樣厚為1 mm，密度為2.23 g/m3，彈性系數(shù)為65 kN/mm2，努氏硬度為480。設(shè)計試樣共有3 種，包括圓形柱狀凸起表面微織構(gòu)（以下簡稱為圓形試樣）、正方形柱狀凸起表面微織構(gòu)（以下簡稱為正方形試樣）、正六邊形柱狀凸起表面微織構(gòu)（以下簡稱為正六邊形試樣）。

圖1 設(shè)計試樣照片F(xiàn)ig.1 Photo of the design sample

圖2 為表面微織構(gòu)的SEM 形貌。圖3 為表面微織構(gòu)側(cè)面SEM 形貌。從圖中看出，3 種柱狀凸起微織構(gòu)的結(jié)構(gòu)形狀為圓臺、四棱臺、六棱臺。圓臺頂面直徑為3 μm，底面直徑為5 μm；四棱臺頂面邊長為3 μm，底面邊長為3 μm；六棱臺頂面邊長為1.5 μm，底面邊長為3 μm。三種結(jié)構(gòu)的高均為6 μm。以5 μm的間距均勻排布在玻璃表面。對比試樣為不含表面微織構(gòu)的光伏玻璃。對比試樣材料與設(shè)計試樣相同，整體為2 mm×2 mm 的方玻璃片。

圖2 玻璃表面微織構(gòu)的SEM 形貌Fig.2 SEM image of surface micro-texture on glass surface: a) circular; b) square; c) regular hexagonal

圖3 玻璃表面微織構(gòu)側(cè)面的SEM 形貌Fig.3 SEM image of the side of surface micro-texture on glass surface

使用火山灰?guī)r石作為模擬月塵。火山灰?guī)r石與美國阿波羅計劃采集的月塵樣品組成成分與結(jié)構(gòu)形狀相似，故可以作為制備模擬月塵的原料[25-26]。選用直徑約2 mm 的火山灰?guī)r石，使用行星球磨機(jī)進(jìn)行粉碎，得到顆粒直徑在100 μm 以下的火山灰粉末。使用400目的網(wǎng)篩對火山灰粉末進(jìn)行篩分，得到顆粒直徑在38 μm 以下的火山灰粉末，作為模擬月塵進(jìn)行沉積試驗(yàn)。圖4 為模擬月塵照片。

圖4 模擬月塵照片F(xiàn)ig.4 Photo of lunar dust simulant

圖5 為模擬月塵的SEM 形貌。模擬月塵顆粒直徑主要在10 μm 以上，部分顆粒直徑在10 μm 以下。大部分模擬月塵顆粒的形狀不規(guī)則，表面粗糙度較大。直徑較大的模擬月塵顆粒表面存在棱角，呈塊狀。隨著模擬月塵顆粒直徑的減小，顆粒的長寬比逐漸降低，形狀更加規(guī)則，呈粒狀或球狀。

圖5 模擬月塵的SEM 形貌Fig.5 SEM images of lunar dust simulant

1.2 試驗(yàn)設(shè)備及方法

試驗(yàn)設(shè)備為月塵沉積試驗(yàn)系統(tǒng)，用于模擬月塵揚(yáng)起與沉積的過程，對試樣進(jìn)行月塵沉積試驗(yàn)。月塵沉積試驗(yàn)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖6 所示，主要由空氣壓縮機(jī)、油水分離器、沙盒、沉積室、可調(diào)節(jié)支架、回收裝置等組成?？諝鈮嚎s機(jī)為試驗(yàn)系統(tǒng)提供高速氣流，將月塵揚(yáng)起。油水分離器對高速氣流進(jìn)行干燥與凈化。沙盒用來放置月塵，以便被高速氣流揚(yáng)起。沉積室為沉積試驗(yàn)提供密閉空間?？烧{(diào)節(jié)支架用于放置試樣，并調(diào)節(jié)工作角度θ。回收裝置用于回收被高速氣流帶走的月塵。

圖6 月塵沉積試驗(yàn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.6 Schematic diagram of lunar dust deposition test system

采用對比試驗(yàn)的方法進(jìn)行沉積試驗(yàn)。共進(jìn)行3 種試驗(yàn)，分別研究同一試驗(yàn)環(huán)境下，工作角度、月塵量和表面微織構(gòu)形狀對于月塵沉積的影響，試驗(yàn)參數(shù)如表1 所示。沉積試驗(yàn)前，使用光學(xué)玻璃清洗劑和超聲波清洗機(jī)對試樣進(jìn)行清洗，在干燥箱中進(jìn)行干燥，備用；使用精密天平對月塵量進(jìn)行稱量，干燥后備用。沉積試驗(yàn)結(jié)束后，使用金相顯微鏡對設(shè)計試樣及對比試樣進(jìn)行觀察，并統(tǒng)計月塵的沉積量。

表1 月塵沉積試驗(yàn)參數(shù)Tab.1 Test parameters of lunar dust deposition

2 結(jié)果及分析

2.1 沉積量的評價方法

月塵沉積量定義為，在沉積試驗(yàn)后，工作表面沉積的月塵所覆蓋的面積與工作表面總面積的比值。設(shè)計試樣的工作表面為表面微織構(gòu)區(qū)域，對比試樣的工作表面為整個對比試樣表面。在進(jìn)行月塵沉積試驗(yàn)后，使用金相顯微鏡對表面微織構(gòu)進(jìn)行觀察，如圖7所示。從圖7 中可以看出，深色區(qū)域?yàn)槌练e的月塵，與周圍無月塵沉積的區(qū)域區(qū)分明顯。采用圖像識別技術(shù)對工作表面沉積的月塵所占的像素個數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計，與工作表面所占像素總個數(shù)的比值即為月塵沉積量。

圖7 沉積試驗(yàn)后表面微織構(gòu)的金相顯微鏡圖Fig.7 Metallographic micrograph of surface micro-texture after deposition experiment

2.2 工作角度對月塵在表面織構(gòu)沉積的影響

工作角度是影響月塵沉積量的重要因素之一，在試驗(yàn)中選取30°、45°、60° 3 個工作角度，對試樣進(jìn)行月塵沉積試驗(yàn)，選用月塵量為3 g，其余試驗(yàn)條件相同。

圖8、圖9、圖10 分別為工作角度為30°、45°、60°時，3 種結(jié)構(gòu)形狀表面微織構(gòu)與對比試樣的金相顯微鏡圖。圖中深色區(qū)域即為沉積的月塵，隨著工作角度的增加，表面微織構(gòu)和對比試樣上沉積的月塵逐漸減少。比較表面微織構(gòu)和對比試樣的月塵沉積情況，不同的工作角度下，3 種形狀的表面微織構(gòu)上沉積的月塵都明顯少于同試驗(yàn)條件下的對比試樣，具有較強(qiáng)的自清潔性能。

圖8 工作角度為30°時表面微織構(gòu)與對比試樣的金相顯微形貌Fig.8 Metallographic micrograph of the surface micro-texture and the contrast sample when the working angle is 30°: a) circular surface micro-texture; b) square surface micro-texture; c) regular hexagonal surface micro-texture; d) contrast sample 1; e)contrast sample 2; f) contrast sample 3

圖9 工作角度為45°時表面微織構(gòu)與對比試樣的金相顯微形貌Fig.9 Metallographic micrograph of the surface micro-texture and the contrast sample when the working angle is 45°: a) circular surface micro-texture; b) square surface micro-texture; c) regular hexagonal surface micro-texture; d) contrast sample 1; e)contrast sample 2; f) contrast sample 3

圖10 工作角度為60°時表面微織構(gòu)與對比試樣的金相顯微形貌Fig.10 Metallographic micrograph of the surface micro-texture and the contrast sample when the working angle is 60°: a) circular surface micro-texture; b) square surface micro-texture; c) regular hexagonal surface micro-texture; d) contrast sample 1;e) contrast sample 2; f) contrast sample 3

統(tǒng)計工作角度為30°、45°、60°下，9 次試驗(yàn)中，表面微織構(gòu)和對比試樣的月塵沉積量，并計算平均月塵沉積量，結(jié)果如表2—4 所示。在同一試驗(yàn)條件下，不同試驗(yàn)中的月塵沉積量之間存在部分偏差，這是由于試驗(yàn)設(shè)備所造成的偏差，但整體上每次試驗(yàn)中表面微織構(gòu)和對比試樣均處于同一試驗(yàn)環(huán)境中，所以表面微織構(gòu)和對比試樣的試驗(yàn)條件是完全相同的，因此可以使用平均月塵沉積量進(jìn)行對比，判斷表面微織構(gòu)的自清潔性能。計算平均月塵沉積量時，為了減少極值的影響，去除極大值與極小值后，計算平均月塵沉積量。從表2—4 可以看出，在試驗(yàn)條件相同的情況下，表面微織構(gòu)上沉積的月塵更少，并且3 種表面微織構(gòu)中，正六邊形表面微織構(gòu)上的平均月塵沉積量最少，正方形表面微織構(gòu)上的平均月塵沉積量最多。

表2 工作角度為30°時表面微織構(gòu)和對比試樣的月塵沉積量Tab.2 The amount of lunar dust deposited of the surface micro-texture and the contrast sample when the working angle is 30°

表3 工作角度為45°時表面微織構(gòu)和對比試樣的月塵沉積量Tab.3 The amount of lunar dust deposited of the surface micro-texture and the contrast sample when the working angle is 45°

表4 工作角度為60°時表面微織構(gòu)和對比試樣沉的月塵沉積量Tab.4 The amount of lunar dust deposited of the surface micro-texture and the contrast sample when the working angle is 60°

為了探究表面微織構(gòu)的自清潔性能和工作角度的關(guān)系，由表面微織構(gòu)和對比試樣的平均月塵沉積量，得到圖11 所示的變化曲線。圖中，縱軸為表面微織構(gòu)月塵沉積量和對比試樣月塵沉積量的比值，比值越小，說明表面微織構(gòu)的自清潔性能越強(qiáng)。隨著工作角度的增加，表面微織構(gòu)的自清潔性能逐漸增強(qiáng)。在工作角度為60°時，3 種形狀的表面微織構(gòu)的自清潔性能比30°和45°時的自清潔性能好。此時，圓形表面微織構(gòu)的月塵沉積量僅為對比試樣的21.74%，正方形表面微織構(gòu)是26.93%，正六邊形表面微織構(gòu)是18.64%。3 種形狀的表面微織構(gòu)中，正六邊形表面織構(gòu)的自清潔性能最強(qiáng)，圓形表面微織構(gòu)次之，正方形表面微織構(gòu)最差。

圖11 不同工作角度下表面微織構(gòu)和對比試樣的平均月塵沉積量比值的變化情況Fig.11 Changes of the ratio of the lunar dust average deposition amount of surface micro-textures and contrast samples under different working angle

2.3 月塵量對月塵在表面織構(gòu)沉積的影響

月塵量是影響月塵沉積的重要因素之一。試驗(yàn)中選取3、5、7 g 3 個月塵量，對試樣進(jìn)行月塵沉積試驗(yàn)，工作角度為45°，其余試驗(yàn)條件相同。

圖12、圖13、圖14 分別為月塵量為3、5、7 g時，3 種結(jié)構(gòu)形狀表面微織構(gòu)與對比試樣的金相顯微鏡形貌。圖中深色區(qū)域?yàn)槌练e月塵，隨著月塵量的增加，表面微織構(gòu)和對比試樣上沉積的月塵逐漸增加。比較表面微織構(gòu)和對比試樣上月塵沉積的情況，在不同的月塵量下，3 種結(jié)構(gòu)形狀的表面微織構(gòu)上沉積的月塵均明顯少于同試驗(yàn)條件下的對比試樣，具有較強(qiáng)的自清潔性能。

圖12 月塵量為3 g 時表面微織構(gòu)與對比試樣的金相顯微鏡圖Fig.12 Metallographic micrograph of the surface micro-texture and the contrast sample when the amount of lunar dust is 3 grams:a) circular surface micro-texture; b) square surface micro-texture; c) regular hexagonal surface micro-texture; d) contrast sample 1; e) contrast sample 2; f) contrast sample 3

圖13 月塵量為5 g 時表面微織構(gòu)與對比試樣的金相顯微鏡圖Fig.13 Metallographic micrograph of the surface micro-texture and the contrast sample when the amount of lunar dust is 5 grams:a) circular surface micro-texture; b) square surface micro-texture; c) regular hexagonal surface micro-texture; d) contrast sample 1; e) contrast sample 2; f) contrast sample 3

圖14 月塵量為7 g 時表面微織構(gòu)與對比試樣的金相顯微鏡圖Fig.14 Metallographic micrograph of the surface micro-texture and the contrast sample when the amount of lunar dust is 7 grams:a) circular surface micro-texture; b) square surface micro-texture; c) regular hexagonal surface micro-texture; d) contrast sample 1; e) contrast sample 2; f) contrast sample 3

當(dāng)月塵量為3、5、7 g 時，統(tǒng)計9 次試驗(yàn)中表面微織構(gòu)和對比試樣表面沉積的月塵量，并計算平均月塵沉積量，結(jié)果如表5—7 所示。從表5—7 可以看出，相同試驗(yàn)條件下，表面微織構(gòu)上的月塵沉積量明顯少于對比試樣，并且正六邊形表面微織構(gòu)上的平均月塵沉積量最少，正方形表面微織構(gòu)上的月塵沉積量最多。

表5 月塵量為3 g 時表面微織構(gòu)和對比試樣的月塵沉積量Tab.5 The amount of lunar dust deposited of the surface micro-texture and the contrast sample when the amount of lunar dust is 3 grams

表6 月塵量為5 g 時表面微織構(gòu)和對比試樣的月塵沉積量Tab.6 The amount of lunar dust deposited of the surface micro-texture and the contrast sample when the amount of lunar dust is 5 grams

表7 月塵量為7 g 下表面微織構(gòu)和對比試樣的月塵沉積量Tab.7 The amount of lunar dust deposited of the surface micro-texture and the contrast sample when the amount of lunar dust is 7 grams

為了探究表面微織構(gòu)自清潔性能和月塵量的關(guān)系，對比表面微織構(gòu)和對比試樣的平均月塵沉積量，結(jié)果如圖15 所示。隨著月塵量的增加，表面微織構(gòu)的自清潔性能先增強(qiáng)后減弱。月塵量為5 g 時，表面微織構(gòu)的自清潔性能都比對比試樣強(qiáng)。此時，圓形表面微織構(gòu)的月塵沉積量為對比試樣月塵沉積量的26.71%，正方形表面微織構(gòu)為26.43%，正六邊形表面微織構(gòu)為19.24%。3 種結(jié)構(gòu)形狀表面微織構(gòu)中，正六邊形表面織構(gòu)的自清潔性能最強(qiáng)，圓形表面微織構(gòu)次之，正方形表面微織構(gòu)最差。

圖15 不同月塵量下表面微織構(gòu)和對比試樣的平均月塵沉積量的比值變化情況Fig.15 Changes of the ratio of the lunar dust average deposition amount of surface micro-textures and contrast samples under different amount of lunar dust

2.4 結(jié)構(gòu)形狀對月塵沉積的影響

從不同工作角度與不同月塵量的試驗(yàn)結(jié)果中可知，3 種結(jié)構(gòu)形狀的表面微織構(gòu)均可以減少月塵在玻璃表面的沉積，并且正六邊形表面微織構(gòu)的平均月塵沉積量少于圓形和正方形表面微織構(gòu)。這些試驗(yàn)條件相同，但并未處于同一試驗(yàn)環(huán)境中，可能存在偶然性，需在同一試驗(yàn)環(huán)境下驗(yàn)證月塵沉積情況。因此，將3種不同結(jié)構(gòu)形狀的表面微織構(gòu)，置于同一沉積試驗(yàn)中，工作角度為45°，月塵量為3 g，重復(fù)9 次。

圖16 為相同試驗(yàn)環(huán)境下，3 種不同結(jié)構(gòu)形狀的表面微織構(gòu)的金相顯微形貌。從圖16 中可以看出，圓形表面微織構(gòu)與正六邊形表面微織構(gòu)的月塵沉積量少于正方形表面微織構(gòu)。統(tǒng)計9 次試驗(yàn)后表面微織構(gòu)的月塵沉積量，并計算平均月塵沉積量，結(jié)果見表8。從表8 中可以看出，在同一試驗(yàn)條件下，正六邊形表面微織構(gòu)的平均月塵沉積量最少，圓形表面微織構(gòu)次之，正方形表面微織構(gòu)最多。證明3 種結(jié)構(gòu)形狀的表面微織構(gòu)中，正六邊形表面微織構(gòu)的自清潔性能最好，圓形表面微織構(gòu)次之，正方形表面微織構(gòu)最差。

表8 表面微織構(gòu)的月塵沉積量Tab.8 The amount of lunar dust deposited of the surface micro-texture

圖16 表面微織構(gòu)的金相顯微鏡圖Fig.16 Metallographic micrograph of the surface micro- texture: a) circular surface micro-texture; b) square surface microtexture; c) regular hexagonal surface micro-texture

2.5 表面微織構(gòu)自清潔性能機(jī)理分析

顆粒和表面發(fā)生碰撞時，顆粒會受到來自表面的粘附力，在粘附力和自身重力的共同作用下，顆粒沉積或脫離表面。通過減少表面對顆粒的粘附力就可以減少顆粒在表面的沉積。粘附力是表面和顆粒之間互相吸引所產(chǎn)生的作用力，主要為范德華力和靜電力[27]。對于直徑在50 μm 以下的顆粒，范德華力起主導(dǎo)作用[28]。影響范德華力的因素包括：表面和顆粒的材料、顆粒直徑、顆粒和表面的距離、顆粒和表面的接觸面積等[29]。因此，在表面和顆粒不發(fā)生改變的情況下，可以在表面制備出微織構(gòu)，通過減少顆粒和表面的接觸面積，進(jìn)而降低表面對顆粒的粘附力，使顆粒在重力和粘附力的作用下脫離玻璃表面，達(dá)到自清潔的效果。

圖17 為月塵與玻璃表面接觸的示意圖。在沉積試驗(yàn)中，采用火山灰?guī)r石制備模擬月塵，所以月塵顆粒形狀不規(guī)則，表面粗糙度較大。在試驗(yàn)中，設(shè)計試樣和對比試樣是按照一定的工作角度進(jìn)行放置的。由圖17a 可以看出，月塵和對比試樣接觸時，接觸面積較大，玻璃對月塵的粘附力使月塵更容易發(fā)生沉積。當(dāng)月塵和表面微織構(gòu)接觸時，由于表面微織構(gòu)中的柱狀凸起直徑較小，顆粒更容易與柱狀凸起結(jié)構(gòu)的邊緣相接觸，所以接觸面積小于顆粒和對比試樣的接觸面積（圖17b），因此顆粒所受的粘附力更小。所以，在重力和粘附力的作用下，顆粒更容易脫離表面微織構(gòu)，從而減少月塵在表面微織構(gòu)上的沉積。

圖17 月塵與玻璃表面接觸示意圖Fig.17 Schematic diagram of contact between lunar dust and glass surface: a) contrast sample; b) surface micro-texture

從試驗(yàn)結(jié)果看，在不同工作角度和不同月塵量下，月塵和表面微織構(gòu)的接觸面積小于月塵和對比試樣的接觸面積，所以月塵受到來自微織構(gòu)的粘附力更小。在重力和粘附力的共同作用下，月塵難以沉積在表面微織構(gòu)上。隨著工作角度的增加，月塵的重力對月塵沉積的影響逐漸增大，粘附力對月塵沉積的影響減弱，因此工作角度增加時，表面微織構(gòu)的自清潔性能越來越強(qiáng)。隨著月塵量的增加，月塵顆粒的數(shù)量開始增加，小直徑的月塵顆粒結(jié)合為大直徑的月塵顆粒，表面微織構(gòu)作用減弱，月塵受到的粘附力增大。從圖12—14 可知，表面微織構(gòu)和對比試樣上沉積的大直徑月塵顆粒逐漸增多，因此表面微織構(gòu)的自清潔性能出現(xiàn)先增強(qiáng)后減弱的情況。3 種結(jié)構(gòu)形狀的表面微織構(gòu)中，尺寸相同時，正六邊形表面微織構(gòu)的表面積最小（圖2），月塵與其的接觸面積小，因此正六邊形表面微織構(gòu)相對于圓形和正方形表面微織構(gòu)具有更強(qiáng)的自清潔性能。

3 結(jié)論

1）僅用機(jī)械加工的方法在光伏玻璃上制備出形狀規(guī)則、排布均勻的圓形、正方形和正六邊形柱狀凸起表面微織構(gòu)，可以減少月塵的沉積，這些微織構(gòu)具有較強(qiáng)的自清潔性能，并且隨著工作角度、月塵量的改變，表面微織構(gòu)仍具有較強(qiáng)的自清潔性能。

2）在30°、45°、60° 3 種工作角度下，隨著工作角度的增大，表面微織構(gòu)的自清潔性能逐漸增強(qiáng)。工作角度為60°時，圓形表面微織構(gòu)的月塵沉積量為對比試樣的21.74%，正方形表面微織構(gòu)的月塵沉積量為對比試樣的26.92%，正六邊形表面微織構(gòu)的月塵沉積量為對比試樣的18.64%。

3）月塵量分別為3、5、7 g 時，隨著月塵量的增加，表面微織構(gòu)的自清潔性能先增強(qiáng)后減弱。月塵量為5 g 時，圓形表面微織構(gòu)的月塵沉積量為對比試樣的26.71%，正方形表面微織構(gòu)的月塵沉積量為對比試樣的26.43%，正六邊形表面微織構(gòu)的月塵沉積量為對比試樣的19.24%。

4）在圓形、正方形、正六邊形3 種結(jié)構(gòu)形狀的表面微織構(gòu)中，正六邊形表面微織構(gòu)的自清潔性能最強(qiáng)，圓形表面微織構(gòu)次之，正方形表面微織構(gòu)最差。