CN105836103A - 具有冷凝液滴自驱离功能纳米层的飞机机翼 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种具有冷凝液滴自驱离功能纳米层的飞机机翼，包括由钛材制成的飞机机翼本体，所述钛材由以下方式制成：取阴极和钛材构成的阳极置于质量分数为0.03‑0.5％的常温电解液中形成氧化体系，并在阴极和阳极之间施加恒电压20V‑60V，反应20min以上，以此在钛材表面形成纳米结构，然后将钛材表面修饰低表面能物质。本发明采用阳极氧化法在钛材表面制备冷凝液滴自驱离功能表面，以此解决飞机机翼本身容易结霜结冰的问题。并且，上述制备冷凝液滴自驱离功能表面的方法简单易行，在室温下可实现，成本低，所形成的功能表面的性能优异。
Description
技术领域
本发明涉及一种具有冷凝液滴自驱离功能纳米层的飞机机翼，属于飞机制造领域。
背景技术
飞机机翼是飞机的重要部件之一，安装在机身上。其最主要作用是产生升力，同时也可以在机翼内部置弹药仓和油箱，在飞行中可以收藏起落架。另外，在机翼上还安装有改善起飞和着陆性能的襟翼和用于飞机横向操纵的副翼，有的还在机翼前缘装有缝翼等增加升力的装置。
目前，飞机机翼多采用钛材进行生产，主要是钛材质量轻且强度高，具有较好防腐性能。但飞机在使用过程中，飞机机翼表面在低温潮湿环境下很容易凝露结霜并导致结冰，这一问题会导致飞机可能无法正常起飞，甚至导致严重的灾难。因此，解决这一行业难题是非常有意义的。而现有技术中，一般对飞机机翼的研究多在于如何减重，如何避免闪电袭击伤害等方面。很少有如何解决上述问题的报道出现。
例如中国专利200680001703.x公开了一种由复合面板和金属面板构成的飞机机翼。这种飞机机翼本身可采用钛合金制成，同时还采用了复合材料，以此对飞机进行减重，并改善飞机其它性能。但这种飞机机翼仍然会遇到上述容易结霜甚至结冰的问题。
再如中国专利201310066804.7公开了一种飞机机翼外壳，包括夹层结构，其使用金属、纤维和陶瓷层状复合材料制成，金属材料可使用钛及其合金。这种机翼外壳硬度高、韧性材料好、质量轻，具有很好的抗冲击性能。但仍然存在上述问题，也就是容易结霜甚至结冰的问题。
发明内容
本发明目的是：提供一种具有冷凝液滴自驱离功能纳米层的飞机机翼，使得飞机机翼本身不容易结霜结冰。
为实现上述发明目的，本发明的技术方案是：
具有冷凝液滴自驱离功能纳米层的飞机机翼，包括由钛材制成的飞机机翼本体，所述钛材由以下方式制成：取阴极和钛材构成的阳极置于质量分数为0.03-0.5％的常温电解液中形成氧化体系，并在阴极和阳极之间施加恒电压20V-60V，反应20min以上，以此在钛材表面形成纳米结构，然后将钛材表面修饰低表面能物质。上述电解液的质量分数可以是0.04％、0.1％、0.2％、0.3％、0.5％等。上述电压可以是20V、30V、45V、50V、60V等。上述反应时间可以是20min,40min,60min,1h,2h等。
本发明采用阳极氧化法在钛材表面制备冷凝液滴自驱离功能表面，以此解决飞机机翼本身容易结霜结冰的问题。并且，上述制备冷凝液滴自驱离功能表面的方法简单易行，在室温下可实现，成本低，所形成的功能表面的性能优异。
进一步的是：所述阴极是铂电极、石墨电极、镍电极或钛电极。
进一步的是：所述电解液为氢氟酸电解液或氟化铵电解液。
进一步的是：所述纳米结构至少包括以下结构中的一种：规则纳米管，不规则纳米管，纳米颗粒分级结构。
进一步的是：所述纳米结构包括阵列分布于钛材表面的规则纳米管、不规则纳米管、纳米颗粒分级结构中的任一种。
进一步的是：所述低表面能物质包括氟硅烷、硅氧烷、聚四氟乙烯、硅烷偶联剂或高级脂肪酸。
进一步的是：用以修饰低表面能物质的方法包括浸泡法或蒸镀法。
有益效果：由于形成冷凝液滴自驱离功能表面，一方面，增加了有效气泡成核点使冷凝液滴大量快速的产生，从而提高冷凝液滴融合的几率；另一方面，降低液滴与钛材底表面的粘附性使融合的液滴迅速自驱离，阻止界面因温度进一步降低产生结霜结冰的现象。使得飞机机翼表面不容易结霜和结冰。有效保证了飞机的正常安全使用。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。其中，
图1为本发明钛材表面纳米颗粒分级结构的俯视图；
图2为普通光滑钛材表面(a)和本发明实施例1所获冷凝液滴自驱离性能结构表面(b)液滴粘附性能的对比图；
图3为普通光滑钛材表面(a)和本发明实施例1所获冷凝液滴自驱离性能结构表面(b)液滴弹跳示意图；
图4为普通光滑钛材表面(a-c)和本发明实施例1所获冷凝液滴自驱离性能结构表面(d-f)液滴自驱离现象图；
图5为本发明实施例1所获冷凝液滴自驱离性能结构表面液滴尺寸分布图；
图6为本发明的飞机机翼在应用时的液滴弹跳示意图；
具体实施方式
如前所述，鉴于钛材工业应用领域广泛以及现有技术的诸多缺陷，本发明一方面旨在提供一种工艺简单，成本低廉，且能大面积制造的具有冷凝液滴自驱离功能表面的制备方法，并将该方法用于制备飞机机翼。其主要是基于恒压电化学氧化而实现的。
本发明的钛材可以是纯钛、也可以是钛合金，可以是钛管、钛板等。
具体而言，本发明可以通过阳极氧化法在钛材上制备各种纳米结构(如规则纳米管，不规则纳米管，纳米颗粒分级结构等)，并在具有纳米结构的基底表面修饰低表面能物质，从而得到微液滴自驱离表面，这种表面能够有效的使表面冷凝液滴融合弹离。再将上述钛材应用到飞机机翼上，以解决飞机机翼容易结霜结冰的问题，由此保证飞机长期安全的使用。
在为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合较为优选的实施例对本发明的技术方案作进一步的解释说明。
实施例1
步骤1：清洗去除钛材表面的有机油脂和无机杂质。
步骤2：电解液为0.01M/L的氟化铵溶液，反应温度25℃，电压为恒压。将钛材在常温(如25℃)的电解液中，在恒压下(50V)开始氧化，反应过程中，反应电流的体系相对较小(约0.01-0.05A)，此步反应时间为60min。
步骤3：在离心管内放入磁力转子，再加入48ml甲醇，再加入0.5ml1H,1H,2H,2H-全氟辛基三乙氧基硅烷，再加入1.5ml去离子水，在磁力搅拌器搅拌30min，静置2h。
步骤4：步骤2反应结束后，清洗去除所得钛材表面的杂质，并烘干。将所得钛材表面浸入在步骤3所得的氟硅烷溶液内1小时，取出并在140℃烘箱中烘1h，即可得到具有冷凝液滴自驱离功能的纳米颗粒分级结构表面。
步骤5：将制得的钛材制成飞机机翼。
参阅图1所示系本发明中一种典型的钛材表面纳米颗粒分级结构的俯视图，可以看到其结构特征为类似松果形的凸起，凸起表面布满二氧化钛纳米颗粒。
参阅图2所示系纳米颗粒分级结构表面和空白钛材(普通光滑钛材)的液滴粘附力对比图。可以看到，所述纳米颗粒分级结构表面上，粘附力极低，为7.5μN左右，而普通光滑钛材粘附力较大，为210μN。粘附力越低，性能越好。
参阅图3所示系纳米颗粒分级结构表面和空白钛材(普通光滑钛材)的液滴弹跳示意图。可以看到，所述纳米颗粒分级结构表面上，可以有效的发生液滴弹离现象，而普通光滑钛材上液滴下落以后并没有弹离；
参阅图4所示系在高湿度(相对湿度80％，环境温度25℃)，壁面温度2℃的条件下纳米颗粒分级结构表面和空白钛材(普通光滑钛材)的冷凝液滴自驱离对比图。可以看到，所述纳米颗粒分级结构表面上，可以有效的发生冷凝液滴融合自驱离现象，而普通光滑钛材上液滴不断融合变大并未发生冷凝液滴自驱离现象。
参阅图5所示系在高湿度(相对湿度80％，环境温度25℃)，壁面温度2℃的条件下纳米颗粒分级结构表面冷凝液滴尺寸分布图。可以看到，图5中最高的竖条表示10μm以下的冷凝液滴，所述纳米颗粒分级结构表面上，10μm以下的冷凝液滴占80％以上，可以有效的发生冷凝液滴自驱离现象。
实施例2
步骤1：清洗去除钛材表面的有机油脂和无机杂质。
步骤2：电解液为0.5wt.％的氟化铵溶液，溶剂为98vol.％的乙二醇和2vol.％水，反应温度25℃，电压为恒压。将钛材在常温(如25℃)的电解液中，在恒压下(50V)开始氧化，反应过程中，反应电流的体系相对较小(约0.01-0.05A)，此步反应时间120min。
步骤3：在离心管内放入磁力转子，再加入48ml甲醇，再加入0.5ml1H,1H,2H,2H-全氟辛基三乙氧基硅烷，再加入1.5ml去离子水，在磁力搅拌器搅拌30min，静置2h。
步骤4：步骤2反应结束后，清洗去除所得钛材表面的杂质，并烘干。将所得钛材表面浸入在步骤3所得的氟硅烷溶液内1小时，取出并在140℃烘箱中烘1h，即可得到具有冷凝液滴自驱离功能的不规则纳米管结构表面。
步骤5：将制得的钛材制成飞机机翼。
实施例3
步骤1：清洗去除钛材表面的有机油脂和无机杂质。
步骤2：电解液为0.5wt.％的氢氟酸溶液，反应温度25℃，电压为恒压。将钛材在常温(如25℃)的电解液中，在恒压下(20V)开始氧化，反应过程中，反应电流的体系相对较小(约0.01-0.05A)，此步反应时间20min。
步骤3：在离心管内放入磁力转子，再加入48ml甲醇，再加入0.5ml1H,1H,2H,2H-全氟辛基三乙氧基硅烷，再加入1.5ml去离子水，在磁力搅拌器搅拌30min，静置2h。
步骤4：步骤2反应结束后，清洗去除所得钛材表面的杂质，并烘干。将所得钛材表面浸入在步骤3所得的氟硅烷溶液内1小时，取出并在140℃烘箱中烘1h，即可得到具有冷凝液滴自驱离功能的纳米管结构表面。
步骤5：将制得的钛材制成飞机机翼。
当参照实施例1的方法，对实施例1-3所获纳米结构表面进行冷凝测试时，可以获得类似的测试效果，其性能远远优于普通光滑钛材。其制得的飞机机翼的性能也远远高于普通钛材的飞机机翼。
综上所述，本发明公开了一种具有冷凝液滴自驱离功能表面的制备方法，其反应条件温和，在室温下即可实现，工艺简便易操作，具有良好的应用前景。
应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (7)
1.具有冷凝液滴自驱离功能纳米层的飞机机翼，包括由钛材制成的飞机机翼本体，其特征在于：所述钛材由以下方式制成：取阴极和钛材构成的阳极置于质量分数为0.03-0.5％的常温电解液中形成氧化体系，并在阴极和阳极之间施加恒电压20V-60V，反应20min以上，以此在钛材表面形成纳米结构，然后将钛材表面修饰低表面能物质。
2.根据权利要求1所述的飞机机翼，其特征在于:所述阴极是铂电极、石墨电极、镍电极或钛电极。
3.根据权利要求1所述的飞机机翼，其特征在于：所述电解液为氢氟酸电解液或氟化铵电解液。
4.根据权利要求1所述的飞机机翼，其特征在于：所述纳米结构至少包括以下结构中的一种：规则纳米管，不规则纳米管，纳米颗粒分级结构。
5.根据权利要求1所述的飞机机翼，其特征在于：所述纳米结构包括阵列分布于钛材表面的规则纳米管、不规则纳米管、纳米颗粒分级结构中的任一种。
6.根据权利要求1所述的飞机机翼，其特征在于：所述低表面能物质包括氟硅烷、硅氧烷、聚四氟乙烯、硅烷偶联剂或高级脂肪酸。
7.根据权利要求1所述的飞机机翼，其特征在于：用以修饰低表面能物质的方法包括浸泡法或蒸镀法。
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