CN106081054A - 微波加热防除冰用飞机超材料蒙皮及其制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种微波加热防除冰用飞机超材料蒙皮，以FR4材料或聚酰亚胺材料作为介质层，并通过有限元算法确定介质层和金属图样层的各项参数，并在金属蒙皮内侧面上依序设置介质层和金属图样，从而实现该蒙皮对特定频点下微波的全部吸收并将微波转化为该蒙皮表面的热量，用于对蒙皮表面的冰层进行融除。本发明减小了消耗在防除冰蒙皮上的热量，提高了热传导效率和热量利用率。

Description

微波加热防除冰用飞机超材料蒙皮及其制作方法

技术领域

本发明涉及微波加热防/除冰技术领域，具体的涉及一种微波加热防除冰用飞机超材料蒙皮及其制作方法。

背景技术

飞机外部结冰，特别是机翼表面结冰会严重影响飞行安全。即使是非常细微的冰粒，也可能造成飞机机翼空气动力性能的劣化，从而造成飞机失速或者造成安全事故。研究表明，即使直径1-2毫米的霜粒或冰粒分布在机翼表面，假设分布密度只有1个/cm²，也会使飞机的最大升力系数损失22％～33％，造成飞行隐患。因此飞机的防除冰对于飞行的安全飞行非常重要。

目前常用的加热防除冰方法有气热法、电热法等。气热法通常是指将热气流从发动机引入热流管道，在需要防除冰的部位开孔，热气流从孔中喷出至加热蒙皮上，从而实现预防结冰或直接除冰。气热法加热结构较为复杂，且防除冰系统需要从发动机中引气，有时会造成飞机动力不足而影响飞行状态的问题，以及引气量难以精确调控以及加热后废气排放处置等问题。

电热防除冰是指通过电能加热飞机易结冰表面来除冰。一般由电源、加热元件、配电控制开关及过热保护装置等组成。电源提供电能，加热元件多为电热膜，可将电能转化为热能，通过配电开关控制加热区域以及加热元件的开启和关闭，过热保护装置则用来防止机体表面蒙皮过热而变形。参见图1为一种现有的典型电热防除冰蒙皮结构包括：加热单元1’和覆盖于加热单元1’两相对侧的外绝缘层2’和内绝缘层3’，在外绝缘层2’外侧设有外蒙皮4’，内绝缘层3’的内侧设有内蒙皮5’。外蒙皮4’的外侧为所形成的冰层6’。加热单元1’为电热膜。电热膜通过电极与电源相连。

由图1可以看出，由于有电流流经电热膜，因此电热膜上下两侧须用绝缘层进行保护，这样就增加了传热的中间环节，降低了热传导效率。此外，此处所需电热膜面积较大，很难保证对整个电热膜实现均匀加热和加热控制，因而使用时，需先将电热膜分成多个小块，而每个小块上均需设置相应的电极、线路和控制开关，因此该加热系统的复杂度较高，且不容易控制。

微波作为热源常被用于对物体的加热。但由于微波本身无法穿透金属和对金属加热，因而微波直接照在金属材质的飞机蒙皮上时，全部微波均会被反射回去，造成微波的能量不能在蒙皮中转化为热量，因此无法实现防除冰的目的。假设飞机的蒙皮是非金属的，可以部分的吸收微波，从而部分地产生一定的热量，但由于飞机蒙皮并不能全部地吸收微波，微波的能量转化效率低，而未转化为热量的微波会持续存在于飞机内，对飞机的飞行安全以及机上人员造成损害。

FR4材料也称为FR-4环氧玻璃布层压板，根据使用的用途不同，分为FR-4光板，FR-4玻纤板，FR-4环氧玻璃布板。该材料具有电绝缘性能稳定，平整度好，表面光滑，无凹坑，厚度公差标准，主要应用于高性能电子绝缘要求的产品，如FPC补强板，PCB钻孔垫板，玻纤介子，电位器碳膜印刷玻璃纤维板，精密游星齿轮(晶片研磨)，精密测试板材，电气(电器)设备绝缘撑条隔板，绝缘垫板，变压器绝缘板，电机绝缘件，研磨齿轮，电子开关绝缘板等。聚酰亚胺材料与FR4材料都是绝缘材料，聚酰亚胺柔韧性较好。

发明内容

本发明的目的在于提供一种微波加热防除冰用飞机超材料蒙皮及其制作方法，该发明解决了现有技术中蒙皮防除冰系统复杂、厚度较厚、难以控制的问题；以及微波无法直接用于对金属蒙皮加热除冰的技术问题。

本发明提供了一种微波加热防除冰用飞机超材料蒙皮，包括以下步骤：步骤S1：在金属蒙皮的内侧面上通过导电胶粘结或者压接粘结介质层；步骤S2：在介质层的内侧面上通过刻蚀或印刷设置金属图样层；介质层为FR4材料或聚酰亚胺材料，FR4材料为介电常数为4～5的玻璃纤维板；所述聚酰亚胺材料为均苯型聚酰亚胺薄膜或联苯型聚酰亚胺薄膜；金属图样层的形状、周期、横向尺寸、厚度以及介质层的厚度均通过有限元算法确定。

进一步地，有限元算法为通过电磁场设计软件进行计算。

进一步地，微波频率为2.45GHz。

进一步地，金属图样层为“回”字形金属图样。

本发明的另一方面还提供了一种如上述制作方法得到微波加热防除冰用飞机超材料蒙皮，包括金属蒙皮、用于吸收微波辐射的介质层和金属图样层，金属蒙皮的内侧面设置介质层，介质层的内侧面设置金属图样层。

本发明的技术效果：

1、本发明提供的微波加热防除冰用飞机超材料蒙皮制作方法，以FR4材料或聚酰亚胺材料作为介质层，并通过有限元算法确定介质层和金属图样层的各项参数，并在金属蒙皮内侧面上依序设置介质层和金属图样层，从而实现该蒙皮对特定频点下微波的全部吸收并将微波转化为该蒙皮表面的热量，用于对蒙皮表面的冰层进行融除。

2、本发明提供的微波加热防除冰用飞机超材料蒙皮方法，微波源与蒙皮分离设置，无需电流导线、电极、配电控制系统或绝缘保护层，降低了防除冰蒙皮的复杂程度。

3、本发明提供的微波加热防除冰用飞机超材料蒙皮，厚度得到降低，可做到加热微波波长的十几分之一，以采用2.45GHz的微波做加热源为例，该防除冰蒙皮的厚度仅需2～3mm，减轻了防除冰蒙皮的重量，减小了消耗在防除冰蒙皮上的热量，提高了热传导效率和热量利用率。

4、本发明提供的微波加热防除冰用飞机超材料蒙皮，采用微波加热，该蒙皮加热系统的控制比电热膜法简单，无需电极、导线和配电控制元件，防除冰蒙皮无需分成小块，大大简化了加热系统复杂程度，提高了加热均匀性。

具体请参考根据本发明的微波加热防除冰用飞机超材料蒙皮提出的各种实施例的如下描述，将使得本发明的上述和其他方面显而易见。

附图说明

图1是背景技术中电热膜法除冰蒙皮剖面结构示意图；

图2是本发明提供微波加热防除冰用飞机超材料蒙皮制作方法的流程示意图；

图3是本发明优选实施例中微波加热防除冰用飞机超材料蒙皮剖面结构示意图；

图4是本发明优选实施例中微波加热防除冰用飞机超材料蒙皮仰视示意图；

图5是本发明优选实施例中微波加热防除冰用飞机超材料蒙皮对2.45GHz微波的完全吸收曲线图。

图例说明：

7、冰层；8、金属蒙皮；9、介质层；10、金属图样层。

具体实施方式

构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

参见图2，本发明提供的微波加热防除冰用飞机超材料蒙皮制作方法，包括以下步骤：

步骤S1：在金属蒙皮8的内侧面上通过导电胶粘结或者压接粘结介质层9；

步骤S2：在介质层9的内侧面上通过刻蚀或印刷设置金属图样层10；

介质层9为FR4材料或聚酰亚胺材料，FR4材料为玻璃纤维板，绝缘，介电常数为4～5，聚酰亚胺材料为具有优异的热稳定性、耐化学腐蚀性和机械性能的绝缘材料。所述聚酰亚胺材料为均苯型聚酰亚胺薄膜或联苯型聚酰亚胺薄膜两类，是具有优异的热稳定性、耐化学腐蚀性和机械性能的绝缘材料。

金属图样层10的形状、周期、横向尺寸、厚度以及介质层9的厚度均通过有限元算法设计确定。

此处的FR4材料可以为上海巨屹实业有限公司。该材料通常被用于电路板的基材，主要利用其绝缘和坚硬的特性，未见将其用于微波热量转化领域。在需要弯曲或造型的部位，介质层可以为聚酰亚胺材料或FR-4材料。此处的聚酰亚胺材料可以为扬州众想科技绝缘材料有限公司。同时本发明中通过将具有一定硬度的FR-4材料与金属相结合，使得所得材料能用于飞机蒙皮等需要材料具有一定曲率的部件制备中，从而实现了对微波的吸收利用。此处的有限元算法为按现有常用有限元算法进行。此处的导电胶粘结或者压接粘结均按现有方法进行。

通过本发明提供的微波加热防除冰用飞机超材料蒙皮制作方法，通过将介质层9、金属图样层10和金属蒙皮8相结合，得到了具有对微波较高转化效率的超材料，该材料能实现将照射于金属图样层10上的微波转化为热量后，传导至金属蒙皮8层上，实现对金属蒙皮8层外侧的冰层7进行融化的效果。从而有效的降低了该蒙皮的总体厚度。减轻了防除冰蒙皮的总体重量。

该超材料解决了现有飞机蒙皮不能吸收微波的问题，同时该超材料还可以全部吸收微波，因此微波不会泄露到飞机内；此外，由于飞机的金属蒙皮8会完全反射微波，因此微波也不会透过蒙皮而影响飞机的飞行安全。以本发明提供的实例而言，该超材料可以接近100％的吸收2.45GHz的微波。为了确保微波不泄露到飞机非加热部分，还可将微波加热区域使用封闭金属网或者金属片等材料单独进行能隔离。因此，当用2.45GHz的微波照射该超材料时，微波被全部吸收，并转化为热量，热量再传导到蒙皮外，则可以实现防除冰的目的。

优选的，有限元算法为通过电磁场设计软件HFSS或CST进行设计。采用该软件，计算效率较高。

优选的，微波频率为2.45GHz。2.45GHz的微波源有大量商业化产品，该微波源可直接通过购买获得。

优选的，金属图样层10为“回”字形金属图样。采用该结构的金属图样层10能对2.45GHz的微波达到最大的吸收效率。

参见图3～4.，本发明的另一方面提供了一种按上述方法制作得到的微波加热防除冰用飞机超材料蒙皮，包括金属蒙皮8、用于吸收微波辐射的介质层9和金属图样层10，金属蒙皮8的内侧面设置介质层9，介质层9的内侧面设置金属图样层10。

此处的金属蒙皮8外侧面是指相对内侧面更易形成冰面的侧面。

本发明提供的微波加热防除冰用飞机超材料蒙皮除了保证使用微波不泄露的安全性外，在原有蒙皮的基础上附加的材料较少，只需增加一层介质层9和一层金属图样层10，且这两层材料均采用较小的厚度，例如介质层9一般为2mm左右，金属图样层10一般为0.1mm左右。因此，无论是重力还是体积，附加给飞机的负担都是非常小的。

在实际制造中，金属蒙皮8原材料在平面状态下进行介质层9和金属图样层10的加工，得到本发明提供的超材料。再依据飞机蒙皮在飞机不同部位的形状，加工成所需形状并安装。最后，将微波辐照天线正对需要除冰的部位进行安装，即可实现对该部位的除冰。

以下结合具体金属图样层10图样和具体波长微波，对本发明提供的微波加热防除冰用飞机超材料蒙皮性能进行说明。

参见图3，本实施例中，微波加热防除冰用飞机超材料蒙皮包括金属蒙皮8、介质层9可用导电胶粘结或者压接于金属蒙皮8的内侧面上，金属图样层10用刻蚀方法或者印刷方法制备在介质层9的内侧面上。

参见图4，介质层9底面上均匀的设置多个“回”字形金属图样10。“回”字形的金属图案仅为本发明的一个优选实例，金属图案还可为其他结构，并不限于此，介质层和金属图样层10的各参数均通过电磁场仿真软件计算确定。以使用2.45GHz微波进行加热防除冰为例，由微波源产生的微波经天线辐照在金属图样层10上，微波被金属图样层10吸收，并在介质层9中转化为热量。热量由介质层9经由金属蒙皮8向金属蒙皮8外侧面上的冰层7传导，逐渐融化冰与金属蒙皮8之间的粘结层，加热时间将冰层7与金属蒙皮8的粘结层融化后，冰与金属蒙皮8分离，冰层7脱落。

该实施例中本发明提供蒙皮对该波长微波的吸收结果如图5所示，为0.5GHz～4GHz频段内本发明提供的蒙皮对微波的反射曲线图，在2.45GHz处，反射率小于-30dB，说明该实施例对2.45GHz的微波吸收率大于99.9％，可认为是完全吸收。

本领域技术人员将清楚本发明的范围不限制于以上讨论的示例，有可能对其进行若干改变和修改，而不脱离所附权利要求书限定的本发明的范围。尽管己经在附图和说明书中详细图示和描述了本发明，但这样的说明和描述仅是说明或示意性的，而非限制性的。本发明并不限于所公开的实施例。

通过对附图，说明书和权利要求书的研究，在实施本发明时本领域技术人员可以理解和实现所公开的实施例的变形。在权利要求书中，术语“包括”不排除其他步骤或元素，而不定冠词“一个”或“一种”不排除多个。在彼此不同的从属权利要求中引用的某些措施的事实不意味着这些措施的组合不能被有利地使用。权利要求书中的任何参考标记不构成对本发明的范围的限制。

Claims (5)

1.一种微波加热防除冰用飞机超材料蒙皮制作方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤S1：在金属蒙皮的内侧面上通过导电胶粘结或者压接粘结介质层；

步骤S2：在所述介质层的内侧面上通过刻蚀或印刷设置金属图样层；

所述介质层为FR4材料或者聚酰亚胺材料，所述FR4材料为介电常数为4～5的玻璃纤维板；

所述聚酰亚胺材料为均苯型聚酰亚胺薄膜或联苯型聚酰亚胺薄膜；

所述金属图样层的形状、周期、横向尺寸、厚度以及所述介质层的厚度均通过有限元算法确定。

2.根据权利要求1所述的微波加热防除冰用飞机超材料蒙皮制作方法，其特征在于，所述有限元算法为通过电磁场设计软件进行计算。

3.根据权利要求1所述的微波加热防除冰用飞机超材料蒙皮，其特征在于，所述微波频率为2.45GHz。

4.根据权利要求3所述的微波加热防除冰用飞机超材料蒙皮，其特征在于，所述金属图样层为“回”字形金属图样。

5.一种如权利要求1～4所述的制作方法得到微波加热防除冰用飞机超材料蒙皮，其特征在于，包括金属蒙皮、用于吸收微波辐射的介质层和金属图样层，所述金属蒙皮的内侧面设置所述介质层，所述介质层的内侧面设置金属图样层。