CN106006537A - 一种表面疏水防冰的装置 - Google Patents

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岳晓菲
汪元
刘卫东
王振国
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B81—MICROSTRUCTURAL TECHNOLOGY
    • B81B—MICROSTRUCTURAL DEVICES OR SYSTEMS, e.g. MICROMECHANICAL DEVICES
    • B81B3/00—Devices comprising flexible or deformable elements, e.g. comprising elastic tongues or membranes
    • B81B3/0064—Constitution or structural means for improving or controlling the physical properties of a device
    • B81B3/0094—Constitution or structural means for improving or controlling physical properties not provided for in B81B3/0067 - B81B3/0091
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    • B81—MICROSTRUCTURAL TECHNOLOGY
    • B81B—MICROSTRUCTURAL DEVICES OR SYSTEMS, e.g. MICROMECHANICAL DEVICES
    • B81B7/00—Microstructural systems; Auxiliary parts of microstructural devices or systems
    • B81B7/04—Networks or arrays of similar microstructural devices

Abstract

本申请公开了一种表面疏水防冰的装置，包括：硅片；所述硅片的表面设置有硅柱阵列；所述硅柱阵列的表面和间隔位置分布有黑硅。本申请提供的上述表面疏水防冰的装置，由于所述硅片的表面设置有硅柱阵列。所述硅柱阵列的表面和间隔位置分布有黑硅，这就成为一种类二级微纳结构，在减小固体表面粘附性方面具有优异的效果，加工工艺简单，能够简化疏水防冰结构的形成过程，而且成本低，效率高。

Description

一种表面疏水防冰的装置
技术领域
本发明属于飞行器发动机预冷技术领域，特别是涉及一种表面疏水防冰的装置。
背景技术
随着临近空间飞行器和航天飞机技术的发展，预冷型组合循环发动机在单级入轨和两级入轨可重复使用飞行器中的应用越来越广泛。当发动机工作在吸气模式时，来流在被压缩进入燃烧室之前需要进行有效地预冷，以降低发动机系统能耗并确保压缩空气以适宜的温度进入燃烧室，从而实现发动机高推重比和高比冲，提高发动机整体性能。而如果预冷器表面结冰，就会增加总压损失和气流畸变，并堵塞气流通道，因此，对于空气深度预冷型发动机，如何表面防冰是预冷器设计的一个关键问题。目前国外的预冷装置表面防冰的一种装置是通过在预冷器前增加液氧喷注系统，液氧(温度大约为55K)首先将空气冷却至240K，将水蒸气从空气中分离出来，还有一种装置是通过向空气来流中喷注低温流体(如液氮和液氧)或者特定的冷凝气体(如甲醇)，将空气中的水蒸汽冷凝并排出。然而，这两种装置普遍存在能耗大、污染严重或增加负载等问题。
近年来，国内外针对不同疏水表面的防冰特性开展了一系列实验研究。以方体周期单元为对象，研究了具备周期结构的疏水表面对冰粘附强度的影响，对比了二级微纳复合结构、一级微米结构和光滑硅片表面上冰粘附力大小，结果表明二级微纳结构的冰粘附力最小，其次是一级微米结构，最后是光滑表面，此外，对于二级微纳结构，其间隔越小，冰粘附力越小，且无论其间隔如何改变，冰粘附强度总是优于另外两种固体表面；现有技术中一种装置是在聚乙烯构成的一级微米表面用纳米级氧化锌进行修饰构成微纳复合结构，对这种复合结构的防雾和延缓结冰时间等特性进行实验研究，结果发现-5℃时，在有微风吹过的条件下，复合结构表面直到1600s才开始沾水，体现了其良好的疏水性；-10℃时，直到7360s才完全结冰，有效延缓了结冰时间。虽然这种二级微纳结构在减小固体表面粘附性方面效果最好，但是加工这种满足一定尺寸形状要求的二级微纳结构表面非常复杂、成本高，导致其实用性不强。
发明内容
为解决上述问题，本发明提供了一种表面疏水防冰的装置，在减小固体表面粘附性方面具有优异的效果，加工工艺简单，能够简化疏水防冰结构的形成过程，而且成本低，效率高。
本发明提供的一种表面疏水防冰的装置，包括：
硅片；
所述硅片的表面设置有硅柱阵列；
所述硅柱阵列的表面和间隔位置分布有黑硅。
优选的，在上述表面疏水防冰的装置中，
所述硅柱阵列为方形排列或三角形排列的硅柱阵列。
优选的，在上述表面疏水防冰的装置中，
所述硅柱阵列为具有长方体形状或圆柱体形状的硅柱阵列。
优选的，在上述表面疏水防冰的装置中，
所述硅柱阵列为：
截面边长为10微米至14微米且边缘间距为28微米至32微米的长方体硅柱阵列，或者截面直径为10微米至14微米且边缘间距为28微米至32微米的圆柱体硅柱阵列。
优选的，在上述表面疏水防冰的装置中，
所述硅柱阵列为：
三角形排列的截面直径为10微米至14微米且边缘间距为46微米至50微米的圆柱体形状的硅柱阵列。
优选的，在上述表面疏水防冰的装置中，
所述硅柱阵列为：
高度范围为42微米至56微米的硅柱阵列。
通过上述描述可知，本发明提供的上述表面疏水防冰的装置，由于所述硅片的表面设置有硅柱阵列。所述硅柱阵列的表面和间隔位置分布有黑硅，这就成为一种类二级微纳结构，在减小固体表面粘附性方面具有优异的效果，加工工艺简单，能够简化疏水防冰结构的形成过程，而且成本低，效率高。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术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的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1为本申请实施例提供的第一种表面疏水防冰的装置的示意图；
图2为三角形排列的硅柱阵列的示意图；
图3为方形排列的硅柱阵列的示意图。
具体实施方式
本发明的核心思想在于提供一种表面疏水防冰的装置，在减小固体表面粘附性方面具有优异的效果，加工工艺简单，能够简化疏水防冰结构的形成过程，而且成本低，效率高。
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本申请实施例提供的第一种表面疏水防冰的装置如图1所示，图1为本申请实施例提供的第一种表面疏水防冰的装置的示意图。该表面疏水防冰的装置包括：
硅片1；
所述硅片可以是经过抛光之后的硅片，尺寸可以是4英寸，但也可以是其他尺寸，此处并不做限制，由于硅片是一种常见的半导体部件，而且刻蚀等工艺技术成熟，因此本实施例选用硅片作为基底。
所述硅片1的表面设置有硅柱阵列2；
具体的，可以通过如下工艺制作出该硅柱阵列：先在所述硅片的表面涂光刻胶，以4英寸硅片为例，准备4英寸的单晶硅片，然后在硅片上匀胶，光刻胶厚度可以设置为1.7μm；然后在所述光刻胶上部设置掩膜版，并对所述光刻胶进行光刻和显影，形成掩膜图形，具体的，可以用MA6型紫外光刻机进行光刻，显影后在该硅片上形成各种规格的掩膜图形；再对形成掩膜图形之后的所述硅片进行刻蚀，形成硅柱阵列，具体的，可以用感应耦合等离子体刻蚀设备进行刻蚀；最后去除所述光刻胶并清洗，具体的，可以用丙酮+异丙醇(IPA)去除光刻胶并进行清洗，得到相应规格的周期阵列，然后可以用Disco划片机将硅片切割成1.5cm*1.5cm的小片，对应每种规格的掩膜图形。
所述硅柱阵列2的表面和间隔位置分布有黑硅3。
具体的，可以将具有所述硅柱阵列的硅片放入感应耦合等离子体刻蚀设备中进行刻蚀，在所述硅柱阵列的表面和间隔位置形成黑硅。黑硅是一种在离子反应刻蚀硅片过程中得到的副产物，表面为具有一定分布密度的微米级结构，也是一种粗糙表面，在清洗黑硅的过程中发现其具有不沾水的特性，因此该实施例在考察黑硅疏水性能和防冰特性的前提下，将10微米以上的一级硅柱和密度为0.5微米至1.5微米且高度为5微米至10微米的黑硅结合制备一种类二级结构，这种类二级结构是在大尺度微米级硅柱阵列的表面和间隙中分布有小尺度微米级的黑硅。由于黑硅表面是疏水的，而在一级微米级结构上添加更小微尺度的黑硅得到类二级结构后，其疏水性得到进一步提高，接触角全部在135°以上，最大达到146.645°；在不同温度下，测试了类二级结构黑硅与普通硅片表面上液滴冻结时的厚度变化情况，可知类二级结构的黑硅相比普通硅片具有较好的防结冰特性；另外，表面温度为-12℃时，将黑硅、类二级结构的黑硅与普通抛光硅片霜层厚度比较可知：在测试时间内，普通硅片的霜厚为2.148mm，黑硅和类二级结构的黑硅分别为1.798mm和1.766mm，这就体现了类二级结构的黑硅具有抑制霜层生长的效果。综上可知，该类二级结构具有较好的疏水性能和延缓表面结冰结霜的特性。
通过上述描述可知，本申请实施例提供的上述第一种表面疏水防冰的装置，由于所述硅片的表面设置有硅柱阵列。所述硅柱阵列的表面和间隔位置分布有黑硅，这就成为一种类二级微纳结构，在减小固体表面粘附性方面具有优异的效果，加工工艺简单，能够简化疏水防冰结构的形成过程，而且成本低，效率高。
本申请实施例还提供了第二种表面疏水防冰的装置，是在上述第一种表面疏水防冰的装置的基础上，所述硅柱阵列为方形排列或三角形排列的硅柱阵列。其中，三角形排列的硅柱阵列如图2所示，图2为三角形排列的硅柱阵列的示意图，方形排列的硅柱阵列如图3所示，图3为方形排列的硅柱阵列的示意图。当然这两种排列方式仅仅是优选方式，还可以设置其他方式，此处并不做限制。
本申请实施例还提供了第三种表面疏水防冰的装置，是在上述第二种表面疏水防冰的装置的基础上，所述硅柱阵列为具有长方体形状或圆柱体形状的硅柱阵列。需要说明的是，利用不同的掩膜版就能够制作不同形状的硅柱阵列。
本申请实施例还提供了第四种表面疏水防冰的装置，是在上述第二种表面疏水防冰的装置的基础上，所述硅柱阵列为：
截面边长为10微米至14微米且边缘间距为28微米至32微米的长方体硅柱阵列，或者截面直径为10微米至14微米且边缘间距为28微米至32微米的圆柱体硅柱阵列。利用具有这些尺寸和间距的硅柱阵列，能够使得疏水防冰效果更好。
本申请实施例还提供了第五种表面疏水防冰的装置，是在上述第三种表面疏水防冰的装置的基础上，所述硅柱阵列为：
三角形排列的截面直径为10微米至14微米且边缘间距为46微米至50微米的圆柱体形状的硅柱阵列。利用具有这种尺寸范围的硅柱阵列能够起到更好的疏水防冰效果。
本申请实施例还提供了第六种表面疏水防冰的装置，是在上述任一种表面疏水防冰的装置的基础上，所述硅柱阵列为：
高度范围为42微米至56微米的硅柱阵列。这种高度范围的硅柱阵列是经过多次试验后得到的优选方案，不仅能够保证硅柱阵列具有一定的稳定性，以保证不会倒塌，也保证其与黑硅配合之后形成的类二级结构具有更好的疏水防冰性能。
通过上述描述可知，本申请实施例提供的上述各种表面疏水防冰的装置，具有类二级微纳结构，在减小固体表面粘附性方面具有优异的效果，加工工艺简单，能够简化疏水防冰的形成过程，而且成本低，效率高。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (6)

1.一种表面疏水防冰的装置，其特征在于，包括：
硅片；
所述硅片的表面设置有硅柱阵列；
所述硅柱阵列的表面和间隔位置分布有黑硅。
2.根据权利要求1所述的表面疏水防冰的装置，其特征在于，
所述硅柱阵列为方形排列或三角形排列的硅柱阵列。
3.根据权利要求2所述的表面疏水防冰的装置，其特征在于，
所述硅柱阵列为具有长方体形状或圆柱体形状的硅柱阵列。
4.根据权利要求3所述的表面疏水防冰的装置，其特征在于，
所述硅柱阵列为：
截面边长为10微米至14微米且边缘间距为28微米至32微米的长方体硅柱阵列，或者截面直径为10微米至14微米且边缘间距为28微米至32微米的圆柱体硅柱阵列。
5.根据权利要求3所述的表面疏水防冰的装置，其特征在于，
所述硅柱阵列为：
三角形排列的截面直径为10微米至14微米且边缘间距为46微米至50微米的圆柱体形状的硅柱阵列。
6.根据权利要求1-5任一项所述的表面疏水防冰的装置，其特征在于，
所述硅柱阵列为：
高度范围为42微米至56微米的硅柱阵列。
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