CN106811714A - 一种高电阻率电热涂层及其制备方法和应用 - Google Patents

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Abstract

本发明属于飞机防/除冰技术领域，具体涉及一种高电阻率电热涂层及其制备方法和应用。所述电热涂层是由CuMn合金粉与玻璃粉的复合粉经热喷涂法制备而成，所述CuMn合金粉的组分为：Cu 80％～90％，Mn 10％～14％，其它元素3％～6％，CuMn合金粉与玻璃粉的质量比100:0～50:50。本发明所述高电阻率电热涂层的制备方法简单易行，CuMn合金粉与玻璃粉的复合粉喷涂在复合材料表面形成电热涂层，涂层能均匀、致密地与复合材料结合形成一个整体，电热涂层与复合材料之间的结合强度≥10MPa，室温电阻率为50×10‑8Ω.m～1000×10‑8Ω.m，特别适合于电热功率要求在3W.cm‑2以上的情况。

Description

一种高电阻率电热涂层及其制备方法和应用
技术领域
本发明属于飞机防/除冰技术领域，具体涉及一种高电阻率电热涂层及其制备方法和应用。
背景技术
飞机在结冰云层中飞行时，机翼前缘、机头、发动机进气道、螺旋桨、机身外传感器等迎风面可能结冰，结冰后会导致飞机升力减小、阻力增加、推力扰动、操稳性能下降、仪器/仪表指示异常等现象发生，从而影响飞行安全，严重时可导致机毁人亡。为了保证飞机在结冰条件下的飞行安全，飞机多设计有防/除冰系统，尤其是民用飞机均装备有防/除冰系统。
飞机机翼前缘防/除冰系统多采用热气，由发动机压气机引出高温高压气体作为能量来源，对前缘蒙皮进行加热。由于机翼前缘材料耐温属性限制，引出的热气需预冷，且热气在防冰腔内换热后排出废气的温度较高，使得传统引气防冰的热利用效率低。
使用电能作为前缘防冰能量来源时，在产生与热气防冰同样的加热量时，所消耗的能量大大降低。近年来，伴随着多电/全电飞机的发展，促进了电防冰系统在机上应用。由于热气防冰管路热惯性较大，热气防冰采用周期性除冰加热控制困难，有些情况下可能会产生冰脊；相比之下，采用电加热方式可对加热功率进行周期性精确控制，使得防冰系统也可使用除冰模式，进一步降低能耗。
复合材料由于重量轻，强度高，在飞机上大幅使用。飞机机翼前缘结构材料也逐步由复合材料取代传统金属材料。基于复合材料结构减重和提升能量利用效率的考虑，需在具有防/除冰功能的飞机机翼前缘结构上集成热喷涂电热涂层。
传统的电热防/除冰方法是将金属加热带嵌入复合材料内部，用胶粘剂将金属加热带固定。但是，该方法存在如下难以克服的问题，即结合强度低、结构强度降低、易损坏、导热性差、均匀性差。采用喷涂的方法在复合材料表面形成一体化的电热涂层，可以有效地起到防/除冰效果，并且能克服上述问题，在飞机防/除冰方面有广泛应用。另外，由于飞机上的供电系统比较单一(110V或230V)，而需要防/除冰的部位很多、形状复杂多样、功率要求差别大，对电热涂层的电阻率要求范围也很宽，范围达到50×10-8Ω.m～1000×10-8Ω.m。
发明内容
本发明针对现有技术的不足，目的在于提供一种高电阻率电热涂层及其制备方法和应用。
为实现上述发明目的，本发明采用的技术方案为：
一种高电阻率电热涂层，由CuMn合金粉与玻璃粉的复合粉经热喷涂法制备而成。
上述方案中，所述CuMn合金粉的组成按质量百分比计为：Cu占80％～90％，Mn占10％～14％，其它元素占3％～6％。
上述方案中，所述CuMn合金粉与玻璃粉的质量百分比是100:0～50:50。
上述方案中，所述CuMn合金粉与玻璃粉的质量百分比是100:0。
上述方案中，所述CuMn合金粉与玻璃粉的质量百分比是80:20。
上述方案中，所述CuMn合金粉与玻璃粉的质量百分比是50:50。
上述方案中，所述CuMn合金粉与玻璃粉的复合粉是通过如下方法制备得到：将CuMn合金粉与玻璃粉混合，在电炉中400℃～600℃保温3h，然后在空气中冷却、破碎、筛分得到CuMn合金粉与玻璃粉的复合粉。
上述高电阻率电热涂层的制备方法，包括如下步骤：
(1)检查清理：检查零件表面，零件待喷涂表面、边缘及下陷部位上应无胶瘤、多余的积胶和其他多余物，若存在应进行清除；
(2)清洗：采用干净的绸布或棉擦布蘸丙酮擦洗，或用毛刷蘸丙酮清洗零件表面两遍，并在溶剂未挥发之前用干净的棉布擦干或用清洁、干燥的压缩空气吹干；
(3)保护：①遮挡形状制定：根据涂层需要的形状尺寸，设计出相应遮挡物的形状；②制作刀模：根据遮挡物形状，制作相应的刀模；③选取喷涂胶带类型：根据喷涂材料类型，选择相应的胶带类型；④刀模切割：使用制作完成的刀模对热喷涂胶带进行切割；⑤胶带粘贴：将胶带与复合材料对齐，仔细完整地粘贴在复合材料表面；⑥去除待喷涂表面胶带：仔细去除待喷涂部分的胶带，使待喷涂表面暴露出来，同时应注意保持剩余胶带粘贴平整整齐，三坐标检测定位误差，当定位误差小于0.5mm时进行下一步；
(4)活化：①粗化：对需要进行喷涂的区域，可采用砂纸打磨或采用喷砂的方法进行活化，砂子粒度0.42mm～0.85mm；②活化清理：用压缩空气、吸尘器或毛刷清理喷砂表面，去掉砂粒和灰分；③活化检查：在日灯光下，逐件进行目视检查，活化表面应无光亮点，活化不合格处允许重新打磨或补喷砂，但应严防活化过度损坏复合材料纤维，活化完成后，应在4h内进行热喷涂；
(5)固定：根据工件的形状，采用工装将工件安装在转台上，转台与机械手形成八轴联动，使喷枪与工件之间的距离基本保持不变；
(6)热喷涂：根据实际需求，选择喷涂方式，设置喷涂参数进行喷涂，将CuMn合金与玻璃粉的复合粉喷涂在复合材料的表面形成电热涂层；
(7)去除遮挡表面胶带：喷涂结束后，将剩余胶带用揭去，用高压空气将工件表面灰尘吹净；
(8)检验电热涂层：①涂层外观：涂层不应有裂纹或脱落现象，利用X光检测设备检测微小裂纹；②涂层电阻：采取四探针测试法检测涂层电阻，阻值不得偏离要求值的5％；③涂层厚度：采用测厚仪多点测量，厚度不得偏离要求值的5％；④涂层孔隙率：选取10mm×10mm小样片，进行金相测试，测得孔隙率不得超过5％；⑤涂层与复材结合强度：选取10mm×10mm小样片，做结合强度测试，结合强度不得低于10MPa；
(9)封孔：①表面清理：用干燥、洁净的细毛刷清理涂层上的尘埃和未粘接牢固的合金粉末等杂质；②表面处理剂涂覆：用洁净、干燥的毛刷蘸表面处理剂涂刷在待封孔的表面；③按封孔胶使用说明书的规定涂覆封孔胶；
(10)固化：按封孔胶使用说明书的规定固化封孔胶。
上述方案中，步骤(6)所述喷涂参数为：喷枪与工件距离200mm～300mm，送粉速度10g/min～20g/min。
上述方案中，步骤(6)所述喷涂方式为火焰喷涂、超音速火焰喷涂或等离子喷涂。
上述方案中，所述电热涂层的厚度为0.05mm～0.5mm。
上述高电阻率电热涂层在飞机机翼前缘、机头、发动机进气道、螺旋桨和机身外传感器的防/除冰方面的应用。
本发明高电阻率电热涂层的设计思想是：在CuMn合金粉中掺入起绝缘作用的玻璃粉，高温加热下，CuMn合金粉颗粒表面被氧化以及玻璃粉熔化并将CuMn合金粉颗粒包裹，然后经火焰喷涂、超音速火焰喷涂或等离子喷涂在树脂基体表面形成高电阻率电热涂层。在喷涂过程中，CuMn合金粉与玻璃粉的复合粉被快速熔化、氧化而沉积在复合材料表面形成涂层，对复合材料表面不会产生明显的烧蚀现象。复合材料的热膨胀系数为40×10-6K-1～50×10-6K-1，CuMn合金的热膨胀系数为25×10-6K-1，CuMn合金的延展性很好。将CuMn合金粉与玻璃粉的复合粉喷涂在复合材料表面形成电热涂层后，能均匀、致密地与复合材料结合，电热涂层与复合材料之间的结合强度≥10MPa，室温电阻率在50×10-8Ω.m～1000×10-8Ω.m之间可调。
本发明的有益效果：本发明所述高电阻率电热涂层的制备方法简单易行，在喷涂过程中，CuMn合金粉与玻璃粉的复合粉被快速熔化、氧化而沉积在复合材料表面形成涂层，对复合材料表面不会产生明显的烧蚀现象，CuMn合金粉与玻璃粉的复合粉喷涂在复合材料表面形成电热涂层后，涂层能均匀、致密地与复合材料结合形成一个整体，电热涂层与复合材料之间的结合强度≥10MPa，室温电阻率在50×10-8Ω.m～1000×10-8Ω.m之间可调，特别适合于电热功率要求在3W.cm-2以上的情况。
附图说明
图1为实施例3制备所得电热涂层的外观。
图2为实施例3制备所得电热涂层的截面结构。
具体实施方式
为了更好地理解本发明，下面结合实施例进一步阐明本发明的内容，但本发明的内容不仅仅局限于下面的实施例。
以下实施例中，高电阻率电热涂层的制备方法，包括如下步骤：
(1)检查清理：检查零件表面，零件待喷涂表面、边缘及下陷部位上应无胶瘤、多余的积胶和其他多余物，若存在应进行清除；
(2)清洗：采用干净的绸布或棉擦布蘸丙酮擦洗，或用毛刷蘸丙酮清洗零件表面两遍，并在溶剂未挥发之前用干净的棉布擦干或用清洁、干燥的压缩空气吹干；
(3)保护：①遮挡形状制定：根据涂层需要的形状尺寸，设计出相应遮挡物的形状；②制作刀模：根据遮挡物形状，制作相应的刀模；③选取喷涂胶带类型：根据喷涂材料类型，选择相应的胶带类型；④刀模切割：使用制作完成的刀模对热喷涂胶带进行切割；⑤胶带粘贴：将胶带与复合材料对齐，仔细完整地粘贴在复合材料表面；⑥去除待喷涂表面胶带：仔细去除待喷涂部分的胶带，使待喷涂表面暴露出来，同时应注意保持剩余胶带粘贴平整整齐，三坐标检测定位误差，当定位误差小于0.5mm时进行下一步；
(4)活化：①粗化：对需要进行喷涂的区域，可采用砂纸打磨或采用喷砂的方法进行活化，砂子粒度0.42mm～0.85mm；②活化清理：用压缩空气、吸尘器或毛刷清理喷砂表面，去掉砂粒和灰分；③活化检查：在日灯光下，逐件进行目视检查，活化表面应无光亮点，活化不合格处允许重新打磨或补喷砂，但应严防活化过度损坏复合材料纤维，活化完成后，应在4h内进行热喷涂；
(5)固定：根据工件的形状，采用工装将工件安装在转台上，转台与机械手形成八轴联动，使喷枪与工件之间的距离基本保持不变；
(6)热喷涂：根据实际需求，选择喷涂方式，设置喷涂参数(喷枪与工件距离200mm～300mm，送粉速度10g/min～20g/min)进行喷涂，将CuMn合金与玻璃粉的复合粉喷涂在复合材料的表面形成电热涂层；
(7)去除遮挡表面胶带：喷涂结束后，将剩余胶带揭去，用高压空气将工件表面灰尘吹净；
(8)检验电热涂层：①涂层外观：涂层不应有裂纹或脱落现象，利用X光检测设备检测微小裂纹；②涂层电阻：采取四探针测试法检测涂层电阻，阻值不得偏离要求值的5％；③涂层厚度：采用测厚仪多点测量，厚度不得偏离要求值的5％；④涂层孔隙率：选取10mm×10mm小样片，进行金相测试，测得孔隙率不得超过5％；⑤涂层与复材结合强度：选取10mm×10mm小样片，做结合强度测试，结合强度不得低于10MPa；
(9)封孔：①表面清理：用干燥、洁净的细毛刷清理涂层上的尘埃和未粘接牢固的合金粉末等杂质；②表面处理剂涂覆：用洁净、干燥的毛刷蘸表面处理剂涂刷在待封孔的表面；③按封孔胶使用说明书的规定涂覆封孔胶；
(10)固化：按封孔胶使用说明书的规定固化封孔胶。
实施例1
将机翼复合材料的表面用粒度0.42mm～0.85mm的砂子喷砂粗化；用硅胶带在复合材料表面粘贴出U型带状结构，带宽3mm～10mm，带与带之间距离为3mm～10mm；用等离子喷涂法将CuMn合金粉(质量百分比组成是：Cu占80％～90％，Mn占10％～14％，其它元素占3％～6％)喷涂在复合材料表面形成涂层；撕去硅胶带，即得到U型带状电热涂层，涂层厚度0.05mm，室温电阻率50×10-8Ω.m，电热涂层与复合材料紧密结合，结合强度≥10MPa。
实施例2
将CuMn合金粉(质量百分比组成是：Cu占80％～90％，Mn占10％～14％，其它元素占3％～6％)与玻璃粉混合，CuMn合金粉与玻璃粉的质量百分比为90:10，在电炉中400℃～600℃保温3h，然后在空气中冷却至室温，破碎、筛分得到CuMn合金与玻璃粉的复合粉。将机翼复合材料的表面用粒度0.42mm～0.85mm的砂子喷砂粗化；用硅胶带在复合材料表面粘贴出U型带状结构，带宽3mm～10mm，带与带之间距离为3mm～10mm；用超音速火焰喷涂法将CuMn合金与玻璃粉的复合粉喷涂在复合材料表面形成涂层；撕去硅胶带，即得到U型带状电热涂层；涂层厚度0.15mm，室温电阻率115×10-8Ω.m，电热涂层与复合材料紧密结合，结合强度≥10MPa。
实施例3
将CuMn合金粉(质量百分比组成是：Cu占80％～90％，Mn占10％～14％，其它元素占3％～6％)与玻璃粉混合，CuMn合金粉与玻璃粉的质量百分比为80:20，在电炉中400℃～600℃保温3h，然后在空气中冷却至室温，破碎、筛分得到CuMn合金与玻璃粉的复合粉。将机翼复合材料的表面用粒度0.42mm～0.85mm的砂子喷砂粗化；用硅胶带在复合材料表面粘贴出U型带状结构，带宽3mm～10mm，带与带之间距离为3mm～10mm；用火焰喷涂法将CuMn合金与玻璃粉的复合粉喷涂在复合材料表面形成涂层；撕去硅胶带，即得到U型带状电热涂层；涂层厚度0.1mm，室温电阻率530×10-8Ω.m。
图1展示了该电热涂层的外观，图2展示了该电热涂层的截面结构，该电热涂层与复合材料紧密结合，结合强度≥10MPa。
实施例4
将CuMn合金粉(质量百分比组成是：Cu占80％～90％，Mn占10％～14％，其它元素占3％～6％)与玻璃粉混合，CuMn合金粉与玻璃粉的质量百分比为75:25，在电炉中400℃～600℃保温3h，然后在空气中冷却至室温，破碎、筛分得到CuMn合金与玻璃粉的复合粉。将机翼复合材料的表面用粒度0.42mm～0.85mm的砂子喷砂粗化；用硅胶带在复合材料表面粘贴出U型带状结构，带宽3mm～10mm，带与带之间距离为3mm～10mm；用火焰喷涂法将CuMn合金与玻璃粉的复合粉喷涂在复合材料表面形成涂层；撕去硅胶带，即得到U型带状电热涂层；涂层厚度0.3mm，室温电阻率620×10-8Ω.m，电热涂层与复合材料紧密结合，结合强度≥10MPa。
实施例5
将CuMn合金粉(质量百分比组成是：Cu占80％～90％，Mn占10％～14％，其它元素占3％～6％)与玻璃粉混合，CuMn合金粉与玻璃粉的质量百分比为50:50，在电炉中400℃～600℃保温3h，然后在空气中冷却至室温，破碎、筛分得到CuMn合金与玻璃粉的复合粉。将机翼复合材料的表面用粒度0.42mm～0.85mm的砂子喷砂粗化；用硅胶带在复合材料表面粘贴出U型带状结构，带宽3mm～10mm，带与带之间距离为3mm～10mm；用火焰喷涂法将复合粉喷涂在复合材料表面形成涂层；撕去硅胶带，即得到U型带状电热涂层；涂层厚度0.5mm，室温电阻率980×10-8Ω.m，电热涂层与复合材料紧密结合，结合强度≥10MPa。
显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的实例，而并非对实施方式的限制。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而因此所引申的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种高电阻率电热涂层，其特征在于，所述电热涂层是由CuMn合金粉与玻璃粉的复合粉经热喷涂法制备而成。
2.根据权利要求1所述的高电阻率电热涂层，其特征在于，所述CuMn合金粉的组成按质量百分比计为：Cu占80％～90％，Mn占10％～14％，其它元素占3％～6％。
3.根据权利要求1所述的高电阻率电热涂层，其特征在于，所述CuMn合金粉与玻璃粉的质量百分比是100:0～50:50。
4.根据权利要求1所述的高电阻率电热涂层，其特征在于，所述CuMn合金粉与玻璃粉的复合粉是通过如下方法制备得到：将CuMn合金粉与玻璃粉混合，在电炉中400℃～600℃保温3h，然后在空气中冷却、破碎、筛分得到CuMn合金粉与玻璃粉的复合粉。
5.权利要求1～4任一所述高电阻率电热涂层的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)检查清理：检查零件表面，零件待喷涂表面、边缘及下陷部位上应无胶瘤、多余的积胶和其他多余物，若存在应进行清除；
(2)清洗：采用干净的绸布或棉擦布蘸丙酮擦洗零件表面，并在溶剂完全挥发之前用干净的棉布擦干或用清洁、干燥的压缩空气吹干；
(3)保护：①遮挡形状制定：根据涂层需要的形状尺寸，设计出相应遮挡物的形状；②制作刀模：根据遮挡物形状，制作相应的刀模；③选取喷涂胶带类型：根据喷涂材料类型，选择相应的胶带类型；④刀模切割：使用制作完成的刀模对热喷涂胶带进行切割；⑤胶带粘贴：将胶带与复合材料对齐，仔细完整地粘贴在复合材料表面；⑥去除待喷涂表面胶带：仔细去除待喷涂部分的胶带，使待喷涂表面暴露出来，同时应注意保持剩余胶带粘贴平整整齐，三坐标检测定位误差，当定位误差小于0.5mm时进行下一步；
(4)活化：①粗化：对需要进行喷涂的区域，可采用砂纸打磨或采用喷砂的方法进行活化，砂子粒度0.42mm～0.85mm；②活化清理：用压缩空气、吸尘器或毛刷清理喷砂表面，去掉砂粒和灰分；③活化检查：在日灯光下，逐件进行目视检查，活化表面应无光亮点，活化不合格处允许重新打磨或补喷砂，但应严防活化过度损坏复合材料的纤维，活化完成后，应在4h内进行热喷涂；
(5)固定：根据工件的形状，采用工装将工件安装在转台上，转台与机械手形成八轴联动，使喷枪与工件之间的距离基本保持不变；
(6)热喷涂：根据实际需求，选择喷涂方式，设置喷涂参数进行喷涂，将CuMn合金与玻璃粉的复合粉喷涂在复合材料的表面形成电热涂层；
(7)去除遮挡表面胶带：喷涂结束后，将剩余胶带揭去，用高压空气将工件表面灰尘吹净；
(8)检验电热涂层：①涂层外观：涂层不应有裂纹或脱落现象，利用X光检测设备检测微小裂纹；②涂层电阻：采取四探针测试法检测涂层电阻，阻值不得偏离要求值的5％；③涂层厚度：采用测厚仪多点测量，厚度不得偏离要求值的5％；④涂层孔隙率：选取10mm×10mm小样片，进行金相测试，测得孔隙率不得超过5％；⑤涂层与复材结合强度：选取10mm×10mm小样片，做结合强度测试，结合强度不得低于10MPa；
(9)封孔：①表面清理：用干燥、洁净的细毛刷清理涂层上的尘埃和未粘接牢固的合金粉末杂质；②表面处理剂涂覆：用洁净、干燥的毛刷蘸表面处理剂涂刷在待封孔的表面；③按封孔胶使用说明书的规定涂覆封孔胶；
(10)固化：按封孔胶使用说明书的规定固化封孔胶。
6.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，步骤(6)所述喷涂参数为：喷枪与工件距离200mm～300mm，送粉速度10g/min～20g/min。
7.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，步骤(6)所述喷涂方式为火焰喷涂、超音速火焰喷涂或等离子喷涂。
8.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，所述电热涂层的厚度为0.05mm～0.5mm。
9.权利要求1～4任一所述高电阻率电热涂层在飞机机翼前缘、机头、发动机进气道、螺旋桨和机身外传感器的防/除冰领域的应用。
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