CN106752214B - 一种基于非连续性润湿性改良的仿生防结冰表面 - Google Patents

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Abstract

一种基于非连续性润湿性改良的仿生防结冰表面。其特征在于在材料表面上有规律的涂覆多种与材料本身润湿性不同的疏水涂层，从而使材料表面具有非连续性的润湿性分布。本发明改变材料表面的单一润湿特性，使材料表面具有不同疏水性能和主动抗结冰性能，降低了材料表面水的附着量，延缓结冰时间，降低结冰冻结强度。同时由于不同疏水涂层的疏水效果，冷凝水发生冻结结冰的时间存在差异，与疏水涂层之间形成了间断性、非连续的冻结界面，破坏了冰与材料表面之间的冻粘稳定性，降低了冰在材料表面的附着强度。本发明既降低材料表面水的附着量，延缓结冰时间，同时使表面具有抑制结冰和降低结冰强度的能力，具有主动防除冰效果。

Description

一种基于非连续性润湿性改良的仿生防结冰表面
技术领域
本发明涉及材料表面防除冰技术。
背景技术
结冰作为一种常见的自然现象，却给工程领域带来诸多限制和危害，如航空、交通运输、电力等不同工程领域。飞机表面结冰影响其空气动力性能，特别是发动机结冰，严重影响飞行安全性。动车底盘悬挂、制动钳、转向盘等关键零部件结冰，降低乘坐安全性和舒适性，缩短使用寿命。风机叶片、风速仪、风向标等零部件表面结冰，不能正确判断风向、风速，严重影响了风机运行效率，降低风机发电效率，增加风机运转的故障率。目前针对工程中对于零部件表面的结冰现象有以下几种解决办法：一是采取对零件表面积冰采用敲击、铲除等机械方式除冰，二是采用热水融冰等加热方式除去列车底盘积冰，三是通过对飞机表面喷洒乙二醇等化学溶剂除去积冰或延缓表面积水的冻结时间，但是上述除冰方法在使用过程中存在成本高、能耗高以及环境污染等缺陷。随着材料科学、仿生科学及制备工艺的不断发展，各种疏水涂层及抗结冰涂层均可以制备，并可以喷涂在材料表面，如CN102443326A(新型防覆冰涂层及其制备方法)、CN105032731A(一种超疏水涂层与加热涂层复合的节能防除冰涂层制备方法)均通过表面润湿特性的改变，具有单一效果作用，但多次使用后防、除冰效果差。
发明内容
本发明的目的在于针对现有被动式除冰方法存在能耗高、污染环境等使用缺陷，提供一种简单、有效的非连续性润湿性仿生防结冰表面
一种基于非连续性润湿性改良的仿生防结冰表面，其特征在于在材料表面涂覆多种与材料本身润湿性不同的疏水涂层，从而使材料表面具有非连续性的润湿特性，并使材料表面不同位置具有不同的抗结冰性能。
本发明通过在材料表面涂覆多种不同润湿特性的疏水涂层，更改了材料表面的连续润湿性特点，使材料表面的不同区域具有不同的润湿特性，即延缓了冻结时间，又起到了防止结冰或降低结冰强度的作用。
进一步的技术方案如下：
所述的非连续性润湿性改良的仿生防除冰表面，其特征在于：在材料表面涂覆的涂料至少为2种以上，涂料导热系数小于1W/(m·K)，覆盖厚度不能超过1mm，每种涂层可以相互叠加，并且最上裸露面积至少大于总面积的20％，并且可在疏水涂层与材料表面之间涂覆一层起到隔热或疏水作用的基底涂层。
所述材料表面形成的疏水涂层可以为间断性涂层，即材料表面由疏水涂层间断性覆盖。
所述材料表面形成的疏水涂层可在表面呈以下图形分布：
(1)间隔网格状；(2)间隔条状；(3)离散分布点状；(4)蜂窝状；(5)由疏水涂层做出隔离区，在隔离区域为另一种或多种疏水涂层分布。
所述表面形成的多种疏水涂层相交边缘存在涂层叠层现象，进而在涂层厚度方向呈现不规则分布。
本发明所述的疏水涂层包括：表面接触角θ≥120°的聚四氟乙烯颗粒涂料涂层、二氧化钛疏水涂层、四氧化三铁纳米涂层以及含硅疏水涂层等。
本发明通过使材料表面具有非连续性润湿特性为基础，利用表面不同疏水区域对过冷水的排斥作用，降低表面冻结水的附着量。同时疏水表面可延缓或降低冻结水在表面的冻结结冰时间，降低冰在表面的粘附强度，并且不同区域的疏水涂层具有不同的抗结冰效果，不同区域发生冻结结冰的时间点不同，破坏了冰与疏水表面之间的冻粘稳定性和连续性，产生接触缺陷，降低表面的结冰强度，使材料表面形成效果良好的主动型防结冰表面。其工作过程如下：
水在材料表面凝聚结冰时，由于材料表面不同区域具有不同的疏水特性，减小了水分在材料表面的附着量，同时不连续的疏水表面对表面水分结冰具有延缓或抑制作用，并可降低表面结冰强度。在工件表面涂覆的三种不同润湿特性的疏水涂层改变了工件表面单一的润湿特性，不仅延缓了工件表面水分的结冰时间，各界面以及各疏水涂层表面水分的冻结过程发生冻结时间不同，而且降低了工件表面的结冰冻结强度。在相同环境温度下，相对于冰在基体材料表面的附着界面，不同疏水涂层表面附着的水分开始逐渐冻结结冰，冰与疏水涂层的表面形成了非连续的冻结界面，形成了连接缺陷，破坏了冻结界面的稳定性和连续性，更加进一步的降低了冰在材料表面的结冰强度。
通过本发明不仅可以延缓工件表面之间的冻结时间，而且可以防止冰在材料表面的冻结形成或降低结冰强度，具有主动性。
本发明通过在材料表面涂覆多种不同润湿特性的疏水涂层，改变材料表面单一的润湿特性，利用疏水表面对冻结水的排斥作用，延缓冰的冻结时间，破坏冰与材料表面之间的附着稳定性，降低冰在材料表面的粘附强度特性。本发明在不破坏本体的基础上，使材料表面具有主动防结冰特性，实施方便，防结冰效果良好。本发明可以广泛应用在航空飞行器、动车、风机叶片等工程领域中，可极大的降低冰在材料表面的积聚量和后期除冰难度，同时降低了后期的除冰成本，减小结冰现象给工程领域带来的危害。
附图说明
图1为部件表面涂覆的涂层立体示意图。
图2为本发明的工作状态示意图。
图3为涂层在部件表面呈间隔网格状分布示意图。
图4为涂层在部件表面呈间隔条状分布示意图。
图5为涂层在部件表面呈蜂窝状分布示意图。
图6位涂层在部件表面呈离散分布点状示意图。
图7为涂层在部件表面厚度呈波浪形分布示意图。
图中：1、工件表面，2、工件，3、水，4、界面Ⅰ，5、界面Ⅱ，6、界面Ⅲ，7、界面Ⅳ，a、涂层a，b、涂层b，c、涂层c，d、涂层d，8、基底涂层。
具体实施方式
实施例一：
如图3所示，通过喷涂技术在材料表面均匀涂覆一层涂层基底，并将a(二氧化钛疏水涂层)、b(聚四氟乙烯颗粒涂层)、c(四氧化三铁纳米涂层)、d(含硅疏水涂层)四种不同疏水特性的涂层沿纵向、横向方向涂覆在材料表面，使疏水涂层在材料表面呈间隔网格状分布。基于实际使用要求，可以调节每种涂料在工件表面的涂覆横向、纵向长度，使材料表面具有多种不同的润湿特性，在材料表面呈现“井”字状分布。
工件表面涂覆了不同润湿特性的疏水特性涂层，不仅减小了材料表面的附着水量，同时部件表面的不同区域具有不同的防结冰和降低结冰强度效果，而且不同疏水涂层表面发生结冰的时间也不同。由于涂层表面水分发生的冻结时间不同，冰与不同涂层之间逐渐形成了非连续、间断的接触界面，形成冻粘间隙，破坏了冻粘界面的接触稳定性和连续性，更加进一步降低结冰强度，使材料表面具有更好的主动性防结冰效果。
实施例二：
如图5所示，通过喷涂技术在材料表面将a(二氧化钛疏水涂层)、b(聚四氟乙烯颗粒涂层)、c(四氧化三铁纳米涂层)、d(含硅疏水涂层)四种疏水涂层均匀涂覆在材料表面，并且相邻区域需要涂覆不同润湿特性的涂层，分布形式呈现蜂窝状。根据实际工况中部件的结冰问题，疏水涂层的分布形式可以呈现分布比较密集的蜂窝状，使单位面积的材料表面，具有更多不同的润湿种类。部件表面上涂覆不同润湿特性的疏水涂层可以采用等离子喷涂技术、超音速喷涂技术、纳米喷涂技术等喷涂技术，并且依据实际使用需求可以将不同润湿特性的涂层涂覆不同的厚度，如图7所示。
显然，根据本发明公开的内容及具体实施例说明,在本领域的其他的技术人员仍能做出其他不同形式的变动，本专利说明书中无法对所有的实施方式一一列举，但由此衍生出来的显而易见的变动仍属于本发明的保护范围之中。

Claims (2)

1.一种基于非连续性润湿性改良的仿生防结冰表面，在材料表面上涂覆多种与材料本身润湿性不同的疏水涂层，其特征在于，疏水涂层按如下规律分布：
(1)间隔网格状；
(2)间隔条状；
(3)离散分布点状；
(4)蜂窝分布状；
(5)由疏水涂层做出隔离区，在隔离区域为另一种或多种疏水涂层分布；
在材料表面涂覆的疏水涂层至少为2种以上，疏水涂层导热系数小于1W/(m·K)，覆盖厚度不能超过1mm，每种疏水涂层的涂覆面积至少占总面积的20％；
在材料表面形成的涂层为间断性涂层，即材料表面由疏水涂层间断性覆盖，单一涂层厚度小于1mm；每种涂层在最终材料覆盖面上的面积占比大于20％；且允许涂层有叠加，以材料最上面裸露面积为计算占比依据；
所述多种疏水涂层相交边缘存在涂层叠层现象，进而在涂层厚度方向呈现不规则分布；
所述的疏水涂层包括表面接触角θ≥120°的聚四氟乙烯颗粒涂料疏水涂层、二氧化钛疏水涂层、四氧化三铁纳米疏水涂层以及含硅疏水涂层。
2.根据权利要求1所述的一种基于非连续性润湿性改良的仿生防结冰表面，其特征在于，在疏水涂层与材料表面之间涂覆一层起到隔热或疏水作用的基底涂层。
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