CN107057575B - 一种用于极端环境下舰船表面低耗能电热防/除冰系统 - Google Patents

一种用于极端环境下舰船表面低耗能电热防/除冰系统 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种用于极端环境下舰船表面低耗能电热防/除冰系统，包括：船体基底，电绝缘、隔热材料、低耗能快速升温电热层和微纳米防冰涂层，本发明一方面彻底解决了传统微纳米涂层，因表面结冰，冰与基体的粘接力会增大的弊端，另一方面在低温工作环境下(0℃～‑40℃)，低耗能快速电热层具有在40V以下低电压，在30s时间内，消耗能量小于2.0W/cm2下使得微纳米防冰涂层加热至液滴形成冰核的温度，并具有低温电热材料的稳定性，低耗能快速升温电热层和微纳米防冰涂层的协同作用，减小水滴在舰船表面的粘滞力，有效降低了舰船表面的结冰程度，达到高效、低耗能的舰船表面防/除冰目的。

Description

一种用于极端环境下舰船表面低耗能电热防/除冰系统
技术领域
本发明涉及一种除冰系统，尤其涉及一种用于极端环境下舰船表面低耗能电热防/除冰系统。
背景技术
低纬度寒区航行的水面舰艇甲板上浪以后很容易结冰，最终在舰艇表面形成覆冰现象，这会给舰船安全带来极大危害并使得舰船战斗力完全丧失。2015年，韩国海军DDH981“崔莹号”导弹驱逐舰访问俄罗斯符拉迪沃斯托克港，因遭遇低温而舰体严重结冰，被称为“冻冰棍”，震惊了全世界海军。目前，各国对北极地区的开发越来越重视，极地航线的开通也成为了可能，然而，在寒区航行的舰船、船舶等会存在严重的覆冰现象，严重覆冰甚至改变了舰船、船舶的重心造成倾斜，并面临倾覆的危险。舰船、船舶在低纬度寒区航行，特别是在极地地区，覆冰是长期存在的问题，目前已有的除冰方式并不适合于舰船、船舶表面，且消耗大量人力并且效率低下。
目前，除冰系统主要有机械除冰系统、化学液防/除冰系统和热力防/除冰系统。机械除冰系统包括膨胀管除冰和电脉冲除冰，膨胀管除冰是利用飞机部件前缘表面上膨胀管的膨胀作用，使其外表面冰层脱落，由于舰船、船舶结冰面积较大，在舰船、船舶全表面布置膨胀管是不现实的，这种除冰方式不适合于舰船、船舶。电脉冲除冰是采用电容器组向线圈放电，进而产生一个幅值高，持续时间极为短暂的机械力，使蒙皮在弹性范围内振动，进而冰发生破裂而脱落，这种除冰方式只是针对薄蒙皮有效，但并不适用于舰船、船舶等厚钢板材料。化学液防/除冰系统是利用化学防冰液和飞机部件上所收集的水相混合，使得混合液的冰点温度低于表面温度，使水不致在飞机表面上结冰，这种除冰方式仅仅可以保持几分钟，并且需要考虑防冰液对表面的化学腐蚀。热力防/除冰系统包括气热防/除冰和电热防/除冰，气热防/除冰一般从喷气式飞机发动机内引热的气流做热源，通过控制阀门输入蒙皮表面的加热器，对表面进行加热以达到除冰，该技术工作可靠，但热量利用率低，管线的布置较比复杂。电热防/除冰是利用电能转化为热能，阻止结冰或除冰，这种除冰方式能源浪费较大。上述的除冰系统多为飞机表面的除冰来设计的，但对于低温多湿环境下航行的舰船、船舶并不完全适用，基于上述技术来构造适合于舰船、船舶的除冰系统不但复杂，且成本昂贵。
经对现有技术的文献检索发现，中国申请公开号：CN105517215A、名称为“一种低电压透明电热膜及其制备工艺、高温电热片及其制备工艺”的专利中，提出透明电热膜包括玻璃透明基材、碳纳米管或石墨烯透明导电层和电极；透明导电层形成于透明基材的至少一侧；电极由汇流条和若干内电极构成，内电极由汇流条相向延伸形成叉指电极；电极位于透明导电层上且与透明导电层电接触，在低电压(≤12V)下工作，达到预期的温度(90℃～180℃)，该发明的是基于在室温下测试结果，没有考虑低温下不同材料收缩效应对材料导电和电热不稳定性能的影响，因而不适用于低温条件下的使用。中国申请公开号：CN101704410A、名称为“用于飞机防冰除冰的纳米超疏水表面及其制备方法”的专利中，通过疏水微结构以及疏水纳米修饰膜构筑的超疏水表面实现疏水微结构并与飞机蒙皮基底上表面相连，二次疏水纳米膜位于疏水微结构上表面，通过80℃～100℃温度下烘烤1～5小时，从而形成具有超疏水特性的功能表面，尽管该发明有延迟结冰的时间，但是一旦所构筑的表面结冰，会增大冰与基体的粘接力，而所选纳米膜固化温度较大，这种方法存在设计复杂和实施困难。中国申请公开号：CN105032731A、名称为“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”的专利中，公开了一种超疏水涂层和加热涂层复合的节能防除冰涂层制备方法，加热涂层是采用耐高温导电胶、电镀导电薄膜、粘接金属细网或铺展电加热膜等材料，在加热层表面喷涂具有导热特性的防水保护涂层，在防水保护涂层上喷涂具有导热特性的超疏水涂层，并于两端贴铝箔作为电极，该方法具有涂层和电热防冰两者优势，然而该方法存在如下缺点：(1)导热粒子采用的是石墨烯、碳纳米管等材料，并没有发挥材料导电性能，浪费材料。(2)加热涂层是采用耐高温导电胶、电镀导电薄膜等材料，工艺复杂和界面层增多带来实施的困难，环境适用性降低，难以实现便捷、低成本舰船防除冰性能。
发明内容
本发明的目的是为了提供一种用于极端环境下舰船表面低耗能电热防/除冰系统。
本发明的目的是这样实现的：包括设置在船体基底上的电绝缘隔热材料、设置在电绝缘隔热材料上的低耗能快速升温电热层、设置在低耗能快速升温电热层上的微纳米防冰涂层。
本发明还包括这样一些结构特征：
1.所述低耗能快速升温电热层的材料组成及其质量百分比含量为：碳纳米管颗粒0.1％～15％，石墨烯0.1％～5％，树脂72％～88.9％，固化剂1％～3％，纳米橡胶颗粒1％～10％。
2.所述微纳米防冰涂层的材料组成及其质量百分比含量为：微米颗粒5％～30％，纳米颗粒5％～30％，低表面材料5％～20％，粘接剂20％～85％。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明的防/除冰系统具有低温环境下电热材料的热稳定性和低耗能快速电热升温性能，且加热均本发明的防/除冰系统具有在消耗能量小于2.0W/cm2下使得微纳米防冰涂层加热至液滴形成冰核的温度，并与船体表面的电绝缘、隔热特征。本发明具有电热功能和微纳米防冰功能的协同效应。本发明一方面彻底解决了传统微纳米涂层，因表面结冰，冰与基体的粘接力会增大的弊端，另一方面在低温工作环境下(0℃～-40℃)，低耗能快速电热层具有在40V以下低电压，在30s时间内，消耗能量小于2.0W/cm2下使得微纳米防冰涂层加热至液滴形成冰核的温度，并具有低温电热材料的稳定性，低耗能快速升温电热层和微纳米防冰涂层的协同作用，减小水滴在舰船表面的粘滞力，有效降低了舰船表面的结冰程度，达到高效、低耗能的舰船表面防/除冰目的。
附图说明
图1是本发明一体化系统的各功能层示意图；
图2是微纳米防冰涂层表面粗糙度微观分布示意图；
图3是微纳米防冰涂层表面微观SEM；
图4是微纳米防冰涂层表面疏水特性；
图中：1.船体基底，2.电绝缘隔热材料，3.低耗能快速升温电热层，4.微纳米防冰涂层。
具体实施方式
下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述。
结合图1至图4，本发明包括：船体基底1，电绝缘隔热材料2，低耗能快速升温电热层3和微纳米防冰涂层4。电绝缘、隔热材料与船体基底相连，低耗能快速升温电热层与电绝缘、隔热材料连接，微纳米防冰层与电热层相连。
所述船体基底为船体表面，由钢材或复合材料制备而成；所述电绝缘、隔热材料包含但不限于三元乙丙橡胶、聚酰亚胺；所述的低电压快速升温电热层包含但不限于碳纳米管、石墨烯、纳米橡胶颗粒；所述微纳米防冰性能的涂层为微纳米颗粒和低表面能材料。
所述低耗能快速升温电热层材料包含但不限于碳纳米管、石墨烯，组成及其质量百分比含量为：碳纳米管颗粒0.1％～15％，石墨烯0.1％～5％，树脂72％～88.9％，固化剂1％～3％，纳米橡胶颗粒1％～10％
所述微纳米防冰性能的涂层的组成及其质量百分比含量为：微米颗粒5％～30％，纳米颗粒5％～30％，低表面材料5％～20％，粘接剂20％～85％。
将电绝缘、隔热材料2采用粘接或喷涂工艺与船体基底1相连，在将低耗能快速升温电热层3，采用高压喷涂技术喷附和粘接与电绝缘、隔热材料2，最后，把微纳米防冰涂层4采用高压喷涂技术喷附于低电压快速升温电热层3，进而建立了舰船表面防/除冰系统。当舰船在低温多湿环境下航行时，过冷水遇到微纳米防冰涂层4，过冷水与微纳米防冰涂层接触角较大，在液滴形成冰核之前，水滴可以自由滑落，延迟结冰试件，即使结冰，低耗能快速升温电热层3，向将微纳米防冰涂层4表面进行温度传递，电绝缘、隔热材料2阻止温度向船体内部升温，温度控制在液滴形成冰核的温度，进行实现防/除冰一体化功能，提高了舰船表面的除冰效率，节省能源，达到优异的综合防/除冰效果。
综上，本发明的防/除冰系统具有低温环境下电热材料的热稳定性和低耗能快速电热升温性能，且加热均匀性良好；该防/除冰系统具有在消耗能量小于2.0W/cm2下使得微纳米防冰涂层加热至液滴形成冰核的温度，并与船体表面的电绝缘、隔热特征；该系统具有电热功能和微纳米防冰功能的协同效应。

Claims (1)

1.一种用于极端环境下舰船表面低耗能电热防/除冰系统，其特征在于：包括设置在船体基底上的电绝缘隔热材料、设置在电绝缘隔热材料上的低耗能快速升温电热层、设置在低耗能快速升温电热层上的微纳米防冰涂层；所述低耗能快速升温电热层的材料组成及其质量百分比含量为：碳纳米管颗粒0.1％～15％，石墨烯0.1％～5％，树脂72％～88.9％，固化剂1％～3％，纳米橡胶颗粒1％～10％；所述微纳米防冰涂层的材料组成及其质量百分比含量为：微米颗粒5％～30％，纳米颗粒5％～30％，低表面材料5％～20％，粘接剂20％～85％。
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