CN101704410A - 用于飞机防冰除冰的纳米超疏水表面及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
一种表面处理技术领域的用于飞机防冰除冰的纳米超疏水表面及其制备方法，包括：在基底上利用非硅表面微加工技术或微复制方法制作疏水微结构；在疏水微结构表面上涂覆纳米修饰膜；将制备好疏水微结构和涂覆了纳米修饰膜的基底进行烘烤处理后，得到干燥洁净的超疏水表面。本发明改善了飞机表面与水滴的接触特性，大幅度降低了机身被水滴浸润的程度，纳米修饰层还可进一步降低水滴滑过机身表面的粘滞力，减少水珠在机身表面凝结的数量，有效降低了飞机表面的结冰程度，达到高效、清洁、低成本的飞机防/除冰目的。
Description
技术领域
本发明涉及一种表面处理技术领域的材质及其制备，具体是一种用于飞机防冰除冰的纳米超疏水表面及其制备方法。
背景技术
飞机在飞行中其迎风表面常常由于过冷水滴撞击并积聚而发生结冰现象，这会给飞行安全带来极大危害。如，测速、测压传感器探头结冰会导致仪表指示失真；机(尾)翼结冰将影响气动外形，增大飞行阻力、减少升力，影响全机操纵性、稳定性；轴流式压气机进气部件结冰能使发动机熄火等等。据美国1998年的一份报告指出，从1988年至1998年的十年中，因为飞机机翼突然结冰而造成飞机失衡或发动机遭受冰块撞击引起的事故不下10件。2002年底发生的台湾复兴航空货机空难黑盒子的解读结果显示，飞机失事前曾遭遇严重结冰。类似飞机结冰造成灾难性后果的事件并非鲜见，可见机身表面结冰是飞行安全的重要影响因素，因而，长期以来一直受到飞机设计制造与经营者的高度重视。
目前，国际上比较成熟的防/除冰技术主要有三类：(1)气动带除冰技术，又称为“膨胀管除冰技术”，是利用飞机部件前缘表面上膨胀管的膨胀作用，使其外表面冰层破碎而脱落的机械防冰技术，这是一类机械除冰技术，但膨胀管充气时对飞机气动性能影响较大，已经比较少用；(2)电作用除冰技术，一种是通过在需要的部位进行电加热以阻止结冰或者除冰，需要在特定的部位布置加热单元，在一些关键仪表的局部防冰应用较多，这是一种电热除冰技术；另一种是电脉冲除冰，它通过释放静电能产生高能量的电脉冲，作用在飞机部件待防护部位的蒙皮上，在弹性变形范围内使蒙皮快速鼓动，从而破除该蒙皮表面上冰层的机械除冰技术，这是一种电力除冰技术；(3)气热防冰技术。对于喷气发动飞机，一般从发动机压气机内引热的气流做热气源，通过防冰控制阀输入蒙皮下的加热器，对部件表面加热以防冰。该技术系统使用维护简单，工作可靠，但热量利用率较低，管线布局也比较复杂。
上述几种主要的防/除冰技术中，气动带除冰技术始于上世纪三四十年代，目前已较少使用，电脉冲除冰技术兴起于六十年代末，由于系统有重量较轻，除冰效果良好等特点，许多现代飞机上依然部分使用该技术；比较而言，当前使用最为广泛的是热力防冰技术，但是，大型飞机需要防/除冰的部位非常多，采用上述技术构造完善的防/除冰体系不但复杂，而且成本高昂，还会影响飞机的气动性能提升。因而，各种新颖的技术手段纷纷被用于飞机表面的除冰操作，以实现更为高效、清洁、低成本的防/除冰技术，结果各种用以改善上述不足的新的防/除冰设计方法不断被提出。
经对现有技术的文献检索发现，中国申请公开号：CN1347630，名称为“表面除冰的方法与系统”的专利中，提出用铁电体、损耗性电介质、铁磁体或半导体材料的涂层布置在飞机蒙皮下，并施加交流电通过电导体，以产生电磁场，涂层在吸收来自电磁场的能量之后，利用形成的热量来溶化飞机蒙皮上表面的冰雪层，从而达到防/除冰的目的.然而上述方法存在设计复杂和实施困难的不足，没有克服传统电热除冰需要布置发热电极系统并功耗巨大的缺点，难以实现便捷、高效的防/除冰效果.
发明内容
本发明针对现有技术存在的上述不足，提供一种用于飞机防冰除冰的纳米超疏水表面及其制备方法，通过疏水微结构以及疏水纳米修饰膜构筑的超疏水表面实现；疏水微结构与飞机蒙皮基底上表面相连，二次疏水纳米膜位于疏水微结构上表面，从而形成具有超疏水特性的功能表面。本发明利用微型结构和低表面能纳米物质双重结合的超疏水特性，在飞机蒙皮上形成具有增强疏水能力的表面，增大了该表面对水的接触角，从而有效地降低了飞机表面的结冰程度，实现高效、清洁、低成本的飞机防/除冰技术。
本发明是通过以下技术方案实现的：
本发明涉及用于飞机防冰除冰的纳米超疏水表面，包括：基底、疏水微结构和疏水纳米修饰膜，其中：疏水微结构与基底上表面相连，二次疏水纳米膜位于疏水微结构上表面，形成具有超疏水特性的功能表面。
所述的基底为飞机蒙皮，由轻质高强度材料制备而成；
所述的疏水微结构为竖直柱状阵列结构，包括若干相平行间距为10～100微米的金属柱，该金属柱为圆柱体、长方柱体或圆锥体，其下端与基底固定连接，上端的截面为正方形、长方形、多边形或球冠状结构。
所述的金属柱与基底的接触面积为100～500平方微米，高度为3～15微米。
所述的疏水纳米修饰膜的组分及其质量百分比含量为：纯纳米物质颗粒10～50％，调节剂90～50％，其中的纳米物质颗粒大小为10～50纳米；
本发明涉及用于飞机防冰除冰的纳米超疏水表面的制备方法，包括以下步骤：
第一步、在基底上利用非硅表面微加工技术或微复制方法制作疏水微结构；
所述的非硅表面微加工技术是指在基底上利用光刻、显影、刻蚀以及电沉积的方法加工制备出具有微米级精度的疏水微结构。
所述的微复制方法是指在基底上利用利用光刻、显影、刻蚀以及电沉积的方法制作的微凸结构模具压制出具有微米级精度的疏水微结构。
所述的光刻、显影、刻蚀以及电沉积的方法是指：光刻过程中的光刻机采用德国产SUSSMA6型双面曝光机，曝光波长为400nm的紫外光；显影是在质量百分比浓度为15％的NaOH溶液中进行；刻蚀在质量百分比浓度为45％的KOH溶液中进行，温度为75℃；电沉积在Ni[NH2SO3]2含量为600g/L、H3BO3含量为25g/L、NiCl2·6H2O含量为10g/L、PH为4.0的溶液体系中完成，温度为40℃，阴极电流密度为2.0A/dm2。
第二步、在所述的疏水微结构表面上涂覆纳米修饰膜；
所述的纳米修饰膜是指：将质量百分比浓度为10～80％的纳米粉颗粒水溶液经50KHz、功率为90W的超声分散处理20～40min，制成纳米修饰膜。
第三步、将制备好疏水微结构和涂覆了纳米修饰膜的基底经烘烤处理，充分挥发用于稀释纳米物质的调节剂，得到干燥洁净的超疏水表面。
所述的烘烤处理是指：在80～100℃下烘烤1～5小时。
本发明以微机电系统加工技术和纳米表面修饰技术为基础，采用室温下在铝合金或复合材料基底上形成超疏水表面的方法实现.本发明采用微加工电镀或微模具复制的方法制作疏水微结构，并在疏水微结构上涂覆低表面能二次疏水纳米物质的方法实现基于微纳超疏水结构的新型飞机防/除冰技术.
本发明改善了飞机表面与水滴的接触特性，大幅度降低了机身被水滴浸润的程度，纳米修饰层还可进一步降低水滴滑过机身表面的粘滞力，减少水珠在机身表面凝结的数量，有效降低了飞机表面的结冰程度，达到高效、清洁、低成本的飞机防/除冰目的。
附图说明
图1是实施例1结构示意图；
其中：图1a为疏水微结构上端面；图1b为疏水纳米修饰膜结构；图1c为飞机蒙皮基底结构；图1d为疏水微结构示意图。
图2是实施例2结构示意图。
图3是实施例3结构示意图。
图4是实施例4结构示意图。
具体实施方式
下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
实施例1
如图1所示，本实施例包括：基底1、疏水微结构2和疏水纳米修饰膜3，其中：疏水微结构1与基底1上表面相连，二次疏水纳米膜3位于疏水微结构2上表面，形成具有超疏水特性的功能表面。
所述的基底1为飞机蒙皮，由铝合金材料制备而成；
所述的疏水微结构2为竖直柱状阵列结构，包括若干相平行间距为10微米的金属柱4，该金属柱为圆柱体，其下端与基底固定连接，上端的截面为正方形结构。
所述的金属柱4与基底1的接触面积为100平方微米，高度为3微米。
所述的疏水纳米修饰膜的组分及其含量为：纯纳米物质颗粒质量含量为20％，用于稀释的调节剂含量为80％，其中的纳米物质颗粒大小为20纳米；；
本实施例通过以下方式制备获得：
第一步、在基底1上利用微模具复制方法制作疏水微结构2；
通过非硅表面微加工技术在石英基底上，利用光刻、显影、刻蚀以及电沉积的方法加工制备出具有微米级精度的微小型结构的微型模具。其中，光刻过程中的光刻机采用德国产SUSS MA6型双面曝光机，曝光波长为400nm的紫外光；显影是在质量百分比浓度为15％的NaOH溶液中进行；刻蚀在质量百分比浓度为45％的KOH溶液中进行，温度为75℃；电沉积在Ni[NH2SO3]2含量为600g/L、H3BO3含量为25g/L、NiCl2·6H2O含量为10g/L、PH为4.0的溶液体系中完成，温度为40℃，阴极电流密度为2.0A/dm2。利用制作的该模具在500MPa压力和室温下在飞机蒙皮基底1上压制出具有微米级精度的结构图形，即形成疏水微结构2。
第二步、在所述的疏水微结构2表面上涂覆纳米修饰膜3；
将购置的商业化的低表面能纳米粉颗粒，如氟油纳米物质CF3(CF2)mCH2CH2OP(＝O)(OH)2，在室温下，加入到800mL的水调节中，并适当搅拌，按10～80％的比例混合，同时对整个混合液其进行超声，超声的频率为50KHz，功率为90W，时间为30min，以使整个溶液达到均匀化，实现纳米修饰膜3功能。之后，把该均匀的混合纳米修饰膜3用类似丝网印刷的方法涂覆到疏水微结构2表面上。
第三步、将制备好疏水微结构2和涂覆了纳米修饰膜3的基底1在90℃下烘烤4小时，充分挥发用于稀释纳米物质的调节剂，得到干燥洁净的超疏水表面。
当飞机在高空中飞行时，过冷水滴落在由疏水微结构2和疏水纳米修饰膜3所构成的超疏水表面上，该表面对水的接触角将大于150度，使结冰在最初的液滴形核阶段就遭遇固液界面无法浸润的困难，即使形成冰层，在低浸润程度条件下结冰所存在的界面间气膜以及低表面能物质形成的米修饰膜3都将大大减小冰层和基体表面的结合强度，从而使冰层在较小的外力作用下就可以脱离基体，有效地提高除冰的效率，实现良好的综合防/除冰效果。
实施例2
采用圆锥体作为疏水微结构的基于微纳超疏水结构的飞机防/除冰表面
图5是采用上端面具有针尖形状的圆锥体作为疏水微结构2，如图所示，该基于微纳尺度构造下的超疏水飞机防/除冰表面其疏水微结构2由圆锥体在飞机蒙皮基底1上阵列而成，圆锥微型结构2的高为3～15微米，下端截面半径为5～50微米，该超疏水表面疏水纳米修饰膜3的纳米颗粒半径、圆锥在飞机蒙皮基底1上的阵列分布间距以及纳米修饰膜3的涂覆形式与实施例1一致。该实施例的制备方法与实施例1基本一致。
实施例3采用长方体作为疏水微结构的基于微纳超疏水结构的飞机防/除冰表面
图6是本实施例疏水微结构2为长方体的基于微纳超疏水结构的飞机防/除冰表面结构示意图，如图所示，该超疏水飞机防/除冰表面的疏水微结构2为长方体，在飞机蒙皮基底1上阵列，长方体微型结构2的高为3～15微米，截面可以是正方形，也可以是长方形，其截面长为5～50微米，宽同样为5～50微米，该超疏水表面疏水纳米修饰膜3的纳米颗粒半径、长方体在飞机蒙皮基底1上的阵列分布间距以及纳米修饰膜3的涂覆形式与实施例1一致。该实施例的制备方法与实施例1基本一致。
实施例4疏水微结构短柱端面为六边形的基于微纳超疏水结构的飞机防/除冰表面
图7是疏水微结构短柱采用端面为六边形的基于微纳超疏水结构的飞机防/除冰表面结构示意图，疏水微结构2的短柱的端面为六边形，此六边形可以为正六边形，也可以不是正六边形，图中所示为正六边形，其变长为10～50微米，短柱高为3～20微米，此截面为六边形的短柱在飞机蒙皮基底1上阵列构成一次疏水表面，阵列的分布间距、其上表面的纳米修饰膜3涂覆形式以及构成的超疏水表面纳米修饰膜3的纳米颗粒半径均与实施例1一致。该实施例的制备方法与实施例1基本一致。
Claims (9)
1.一种用于飞机防冰除冰的纳米超疏水表面，包括：基底、疏水微结构和疏水纳米修饰膜，其中：疏水微结构与基底上表面相连，二次疏水纳米膜位于疏水微结构上表面，形成具有超疏水特性的功能表面，其特征在于：
所述的疏水微结构为竖直柱状阵列结构，包括若干相平行间距为10～100微米的金属柱，该金属柱为圆柱体、长方柱体或圆锥体，其下端与基底固定连接，上端的截面为正方形、长方形、多边形或球冠状结构。
2.根据权利要求1所述的用于飞机防冰除冰的纳米超疏水表面，其特征是，所述的金属柱与基底的接触面积为100～500平方微米，高度为3～15微米。
3.根据权利要求1所述的用于飞机防冰除冰的纳米超疏水表面，其特征是，所述的疏水纳米修饰膜的组分及其质量百分比含量为：纯纳米物质颗粒10～50％，调节剂90～50％，其中的纳米物质颗粒大小为10～50纳米。
4.一种用于飞机防冰除冰的纳米超疏水表面的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
第一步、在基底上利用非硅表面微加工技术或微复制方法制作疏水微结构；
第二步、在疏水微结构表面上涂覆纳米修饰膜；
第三步、将制备好疏水微结构和涂覆了纳米修饰膜的基底进行烘烤处理后，得到干燥洁净的超疏水表面。
5.根据权利要求4所述的用于飞机防冰除冰的纳米超疏水表面的制备方法，其特征是，所述的非硅表面微加工技术是指在基底上利用光刻、显影、刻蚀以及电沉积的方法加工制备出具有微米级精度的疏水微结构。
6.根据权利要求4所述的用于飞机防冰除冰的纳米超疏水表面的制备方法，其特征是，所述的微复制方法是指在基底上利用利用光刻、显影、刻蚀以及电沉积的方法制作的微凸结构模具压制出具有微米级精度的疏水微结构。
7.根据权利要求5或6所述的用于飞机防冰除冰的纳米超疏水表面的制备方法，其特征是，所述的光刻、显影、刻蚀以及电沉积的方法是指：光刻过程中的光刻机采用德国产SUSS MA6型双面曝光机，曝光波长为400nm的紫外光；显影是在质量百分比浓度为15％的NaOH溶液中进行；刻蚀在质量百分比浓度为45％的KOH溶液中进行，温度为75℃；电沉积在Ni[NH2SO3]2含量为600g/L、H3BO3含量为25g/L、NiCl2·6H2O含量为10g/L、pH为4.0的溶液体系中完成，温度为40℃，阴极电流密度为2.0A/dm2。
8.根据权利要求4所述的用于飞机防冰除冰的纳米超疏水表面的制备方法，其特征是，所述的纳米修饰膜是指：将质量百分比浓度为10～80％的纳米粉颗粒水溶液经50KHz、功率为90W的超声分散处理20～40min，制成纳米修饰膜。
9.根据权利要求4所述的用于飞机防冰除冰的纳米超疏水表面的制备方法，其特征是，所述的烘烤处理是指：在80～100℃下烘烤1～5小时。
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