CN110510102B - 一种可贴式自阻加热/超疏水一体化梯度薄膜材料 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种可贴式自阻加热/超疏水一体化梯度薄膜材料，该薄膜材料由粘接树脂、绝缘隔热树脂、导热导电填料和导热绝缘填料制成，其中，粘接树脂和绝缘隔热树脂分别形成粘接层和基体，二者粘接在一起，导热导电填料和导热绝缘填料分别添加于基体的中间层和上层，将基体由上至下分成3个梯度区域，其中，最上区域的表面构筑有超疏水结构。本发明的有益之处在于：(1)主体部分仅使用一种绝缘隔热树脂，在保证结构中不存在不同材料层与层的界面影响的同时，实现了不同区域的功能化，显著提升了力学性能，且不易发生分层现象；(2)将防冰与除冰集于一体，既可有效延迟结冰时间，又可实现低能耗电加热除冰，最终可提高飞机的能源利用效率。

Description

一种可贴式自阻加热/超疏水一体化梯度薄膜材料
技术领域
本发明涉及一种薄膜材料，具体涉及一种可贴式自阻加热/超疏水一体化梯度薄膜材料，属于航空航天防除冰技术领域。
背景技术
飞机在高空过冷环境下的积冰现象，会增加飞行阻力，降低飞机稳定性，进而引发严重的飞行问题，因而飞机装备的防除冰系统是保障飞机安全飞行的重要措施，是飞机上不可或缺的重要部分。飞机上目前使用最广泛的除冰系统是电加热除冰系统，传统的电加热除冰系统通常使用金属材料作为除冰系统的电热元件，并在需要防护的缝翼前缘对称地布置若干加热单元，对飞机易结冰部位进行加热，例如波音787飞机机翼前缘采用在玻璃纤维表面喷涂金属粉末制成GKN电热内衬进行电加热除冰。虽然传统电加热除冰系统具有除冰效率高的优点，但也存在一系列明显的缺点，例如：
1、电热元件分布于飞机蒙皮内部，每个电热元件都由复杂的电子控制器和繁琐的逻辑程序控制，安装维修成本极高；
2、电热元件主要采用金属导电导热材料，大大增加了飞机的自重，提高了飞机油耗量，使飞行成本升高。
由于除冰过程是在飞机机身覆冰的情况下进行的，具有一定的局限性，因此有人将注意力投入到结冰过程的研究，希望通过延迟结冰时间实现飞机机身的有效防冰，防冰手段中最有效的途径是在具有低表面能的物质表面构建超疏水结构。常用的低表面能涂层存在本身导热系数低的缺点，如果直接涂于机身，会限制飞机内部电热元件的传热效率，所以低表面能涂层并未广泛的应用到服役的飞机机身。另外，超疏水结构属于微纳米结构，在飞机高速飞行时产生的气动力作用下，微纳米结构易被破坏，使防冰效果无法达到理想状态，而传统涂层的微纳米结构不易修复，所以当前服役的飞机也很少应用超疏水结构涂层进行机身表面处理。
鉴于以上电加热除冰和超疏水结构防冰手段存在的不足，中国专利CN108454816A提出了一种新型微纳结构表面防除冰蒙皮，其明确记载了：超疏水层与电加热层通过高温膜压或粘接剂连接，超疏水层通过超疏水薄膜贴覆获得。可见，该新型蒙皮简单的耦合了电加热层和超疏水结构，通过粘接剂粘接各层属于层板技术领域的设计方法，层板存在的残余应力以及电加热层通电时产生的热应力会明显削弱界面粘接力，影响蒙皮寿命，最终蒙皮会出现分层现象。另外，该新型蒙皮的超疏水层是由低导热的聚酰亚胺制备而成的，背胶选用的是导热绝缘粘接剂，所以电加热层产生的热无法定向传导至新型蒙皮的表面。
因此，开发一种不存在界面问题、力学性能好、重量轻、粘贴便捷、传热效率高、成本低、超疏水结构可修复的薄膜材料是十分必要的。
发明内容
为解决现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种可贴式自阻加热/超疏水一体化梯度薄膜材料。
为了实现上述目标，本发明采用如下的技术方案：
一种可贴式自阻加热/超疏水一体化梯度薄膜材料，其特征在于，该薄膜材料由粘接树脂、绝缘隔热树脂、导热导电填料和导热绝缘填料制成，其中：
前述粘接树脂和绝缘隔热树脂分别形成粘接层和基体，二者粘接在一起，粘接层在下、基体在上；
前述导热导电填料和导热绝缘填料分别添加于基体的中间层和上层，将基体由上至下分成3个梯度区域：绝缘导热区域、导电导热区域、绝缘隔热区域，其中，绝缘导热区域的表面构筑有超疏水结构。
前述的可贴式自阻加热/超疏水一体化梯度薄膜材料，其特征在于，前述绝缘隔热树脂选用的是表面能低于50mN/m的绝缘隔热树脂。
前述的可贴式自阻加热/超疏水一体化梯度薄膜材料，其特征在于，前述表面能低于50mN/m的绝缘隔热树脂选用的是硅系树脂或氟改性系列树脂。
前述的可贴式自阻加热/超疏水一体化梯度薄膜材料，其特征在于，前述硅系树脂选用的是聚二甲基硅氧烷树脂、甲基苯基硅树脂或氨基硅树脂。
前述的可贴式自阻加热/超疏水一体化梯度薄膜材料，其特征在于，前述氟改性系列树脂选用的是氟改性硅树脂、氟改性丙烯酸酯树脂或氟改性聚氨酯树脂。
前述的可贴式自阻加热/超疏水一体化梯度薄膜材料，其特征在于，前述绝缘导热区域表面的超疏水结构是通过微纳热压印构筑而成的。
前述的可贴式自阻加热/超疏水一体化梯度薄膜材料，其特征在于，前述导热绝缘填料选用的是氧化石墨烯、氮化铝陶瓷或氮化硼陶瓷。
前述的可贴式自阻加热/超疏水一体化梯度薄膜材料，其特征在于，前述导电导热填料选用的是银粉颗粒、铜粉颗粒、石墨或碳纳米管。
前述的可贴式自阻加热/超疏水一体化梯度薄膜材料，其特征在于，前述粘接树脂选用的是环氧树脂AB胶、聚氨酯胶黏剂或3M快干胶。
前述的可贴式自阻加热/超疏水一体化梯度薄膜材料，其特征在于，前述绝缘导热区域、导电导热区域、绝缘隔热区域分别制备后进行半固化处理，拼接后再进行完全固化处理形成3个梯度区域。
本发明的有益之处在于：
(1)本发明提供的可贴式自阻加热/超疏水一体化梯度薄膜材料，主体部分(即基体)仅使用一种低表面能绝缘隔热树脂，相比传统的电加热层板结构，在保证结构中不存在不同材料层与层的界面影响的同时，实现了不同区域的功能化，显著提升了力学性能，并且不易发生分层现象；
(2)粘接树脂对绝缘隔热树脂和飞机蒙皮基体都有良好的粘接性能，提高了薄膜材料与飞机机身的界面结合强度，并保证了薄膜材料在室温下即用即粘；
(3)本发明提供的可贴式自阻加热/超疏水一体化梯度薄膜材料，将防冰与除冰集于一体，既可有效延迟结冰时间，又可实现低能耗电加热除冰，最终可提高飞机的能源利用效率。
附图说明
图1是本发明提供的可贴式自阻加热/超疏水一体化梯度薄膜材料的结构示意图；
图2是图1中的可贴式自阻加热/超疏水一体化梯度薄膜材料表面超疏水结构的示意图；
图3是本发明提供的可贴式自阻加热/超疏水一体化梯度薄膜材料表面的焦耳热性能示意图。
图中附图标记的含义：1-粘接层、2-基体、3-导热导电填料、4-导热绝缘填料、21-绝缘导热区域、22-导电导热区域、23-绝缘隔热区域、51-凹槽、52-凸起。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明作具体的介绍。
参照图1，本发明提供的可贴式自阻加热/超疏水一体化梯度薄膜材料由粘接树脂、绝缘隔热树脂、导热导电填料3和导热绝缘填料4制成，其中：
粘接树脂和绝缘隔热树脂分别形成粘接层1和基体2，二者粘接在一起，粘接层1在下、基体2在上；
导热导电填料3和导热绝缘填料4分别添加于基体2的中间层和上层，将基体2由上至下分成3个梯度区域：绝缘导热区域21、导电导热区域22、绝缘隔热区域23，其中，绝缘导热区域21的表面构筑有超疏水结构(如图2所示)，该超疏水结构具有导热性和绝缘性，可以显著提升薄膜材料的疏水性能，绝缘隔热区域23未对绝缘隔热树脂进行任何处理，这样可以防止电流和热流渗漏到飞机蒙皮表面，进而可以避免不必要的能耗浪费。
作为一种优选的方案，绝缘隔热树脂选用的是表面能低于50mN/m的绝缘隔热树脂。通过控制薄膜材料的表面能(选用表面能较低的绝缘隔热树脂)，可以提高薄膜材料的疏水性能，保证薄膜材料在服役的过程中即使超疏水结构被破坏也能起到很好的防冰作用。
在表面能低于50mN/m的绝缘隔热树脂中，更优选的是硅系树脂或氟改性系列树脂，其中，硅系树脂可以选用聚二甲基硅氧烷树脂、甲基苯基硅树脂或氨基硅树脂等，氟改性系列树脂可以选用氟改性硅树脂、氟改性丙烯酸酯树脂或氟改性聚氨酯树脂等。
作为一种优选的方案，绝缘导热区域21表面的超疏水结构是通过微纳热压印构筑而成的。微纳热压印技术可以对服役中被破坏的超疏水结构进行及时修复，直到绝缘导热区域21被热压印处理和气动力消耗殆尽，才需更换新的薄膜材料。
作为一种优选的方案，导热绝缘填料4选用的是氧化石墨烯、氮化铝陶瓷或氮化硼陶瓷，这些填料可以实现薄膜材料绝缘导热的功能，提高导热效率并防止飞机表面漏电。
作为一种优选的方案，导电导热填料3选用的是银粉颗粒、铜粉颗粒、石墨或碳纳米管，这些填料可以通过焦耳效应将电能转化为热能(如图3所示)，并进一步将热能高效的传递到薄膜材料的表面。
作为一种优选的方案，粘接树脂选用的是环氧树脂AB胶,聚氨酯胶黏剂或3M快干胶等。这些粘接树脂都是对飞机蒙皮基体和绝缘隔热树脂均有良好粘接性能的室温固化粘接剂，在提高薄膜材料的抗剪切性能的同时，可以实现薄膜材料即用即贴的目的。
该可贴式自阻加热/超疏水一体化梯度薄膜材料的制备方法如下：
绝缘导热区域21、导电导热区域22、绝缘隔热区域23分别制备后进行半固化处理，拼接后再进行完全固化处理形成3个梯度区域，之后通过微纳热压印在绝缘导热区域21的表面构筑上超疏水结构，最后将整个基体2与粘接层1粘接在一起。由于用同种绝缘隔热树脂进行固化，所以不存在传统电加热层板技术的界面分层现象，可实现薄膜材料优异的力学性能。
使用时，将导电导热区域22通过电极/导线外接低压电源，通电后整个薄膜材料即可产生热能。
参照图2，超疏水结构防冰技术的核心是构筑微纳凹凸结构，其中，凹槽51中会形成稳定的“气膜”，而气体是热的不良导体，过冷液滴接触超疏水结构表面时，热量无法通过“气膜”传导，所以使得结冰延迟，另外，液滴由于表面张力无法进入凹槽51中，所以飞机表面的冰层只会覆盖在凸起52上。
电加热除冰技术不需将薄膜材料表面的所有覆冰全部融化，只需融化与薄膜材料接触的一层薄冰，将薄冰变成一层“水膜”，“水膜”在薄膜材料表面的黏附力远低于冰层在薄膜材料表面的黏附力，所以飞机在高速飞行时产生的气动力即可将“水膜”吹落，从而实现除冰的目的。
基于以上电加热除冰基本理论，可以得知覆冰与飞机蒙皮的接触面积越小，所需的电热功耗越低。结合超疏水结构防冰理论，由于覆冰仅与超疏水结构的凸起接触，且凹槽存在导热系数极低的“气膜”，因此凹凸相间的超疏水结构可以有效的减少覆冰与薄膜材料的接触面积，提高热传导效率，进而实现除冰功耗的大幅度降低。
本发明提供的可贴式自阻加热/超疏水一体化梯度薄膜材料的工作原理如下：
当飞机飞至高空过冷环境时，过冷液滴会撞向该可贴式自阻加热/超疏水一体化梯度薄膜材料，此时由于薄膜材料的低表面能和超疏水结构的存在，提高了过冷液滴在薄膜材料表面的静态接触角，降低了滚动接触角，使过冷液滴保持液滴形状随飞机飞行滚落薄膜材料表面，进而显著延长结冰时间，但随着过冷液滴不断高速冲击薄膜材料，必然会在表面形成“钉粘”现象，在材料表面形成覆冰层，此时，接通导电导热区域和低压电源，使两者形成闭合回路，基于焦耳效应，电能转化为热能，热能向导电导热区域外部扩散时受到下面绝缘隔热区域的阻碍，仅能通过上面热传导系数高的导热绝缘区域传递至超疏水结构表面，并进一步传导至与超疏水结构表面接触的覆冰层，热能将接触冰层融化为“水膜”，降低了覆冰层与超疏水结构之间的黏附力，在飞机高速飞行时产生的气动力的作用下，薄膜材料表面的“水膜”将会被吹落。
下面我们从超疏水防冰阶段和电加热除冰阶段来分析本发明提供的可贴式自阻加热/超疏水一体化梯度薄膜材料的防除冰节约的功耗，由于不同超疏水材料和不同超疏水结构对延迟结冰和电加热能耗均有影响，此处不严格控制具体数值，只对功耗进行大概的理论估算。
1、超疏水防冰阶段
在-5℃高湿环境下，过冷液滴在本发明提供的构造有超疏水结构的可贴式自阻加热/超疏水一体化梯度薄膜材料的表面上的结冰时间是在常规表面上的结冰时间的2-2.5倍左右，前者可延迟结冰5-10min。而在飞机航程一定的情况下，延迟结冰5min的意义是巨大的，意味着电加热除冰工作一个周期节约5min的功耗。
2、电加热除冰阶段
假设本发明提供的可贴式自阻加热/超疏水一体化梯度薄膜材料表面的超疏水结构是间隔为aμm、面积为aμm×aμm的立方柱状疏水矩阵结构，立方柱与凹槽界面面积相同，由于电加热除冰只需融化与薄膜材料接触的一层薄冰，而上述薄膜材料的疏水矩阵结构可以将覆冰接触面积降低一半左右，因此加热所需功耗也可降低一半左右。
基于上述各阶段功耗分析，假设飞机未处理蒙皮表面的完全覆冰时间为5min，本发明提供的可贴式自阻加热/超疏水一体化梯度薄膜材料的完全覆冰时间为10min，两种材料表面覆冰后的电加热时间均为5min。
设飞机航线时间为z，未处理蒙皮表面的加热周期次数为x，本发明提供的可贴式自阻加热/超疏水一体化梯度薄膜材料表面的加热周期次数为y，在航线时间z不变的条件下可列方程：
(5+5)x＝(10+5)y＝z
计算可得：
x/y＝3/2
再设本发明提供的可贴式自阻加热/超疏水一体化梯度薄膜材料表面一个防除冰周期所需电加热的功耗为k，则未处理蒙皮表面加热一周期所需的功耗为2k。
在航线时间z确定的条件下，未处理蒙皮表面电加热和本发明提供的可贴式自阻加热/超疏水一体化梯度薄膜材料表面电加热的总功耗比为：
3×2k/(2×k)＝3
换言之，在该假设中，本发明提供的可贴式自阻加热/超疏水一体化梯度薄膜材料相比传统电加热元件降低了约3倍左右的总功耗。
可见，本发明提供的可贴式自阻加热/超疏水一体化梯度薄膜材料具有以下优势：
1、该可贴式自阻加热/超疏水一体化梯度薄膜材料结构简单，使用方便，仅由两种树脂和两种填料制成，内侧为粘接树脂，可实现室温条件下薄膜材料在飞机基体上的良好粘接，大幅提高界面剪切力学性能；外侧的绝缘隔热树脂通过一体化梯度设计只需通过添加不同的填料即可实现对飞机表面的电加热效果，可表现出良好的力学性能，避免了传统电加热元件层板结构分层现象的出现。
2、该可贴式自阻加热/超疏水一体化梯度薄膜材料即用即贴，不需改造飞机基体表面和内部构造即可实现电加热效果，相比当前飞机使用的电加热元件安装和维修成本更低，且重量更轻，可明显降低飞行油耗成本。
3、该可贴式自阻加热/超疏水一体化梯度薄膜材料将防冰与除冰技术一体化，可以有效的延迟飞机的结冰时间，在飞机航程确定的基础上，通电时间更短；另外，飞机通电融冰只需融化超疏水结构表面的接触点冰层，接触点更小，融冰量更少，所需功耗也越低，大大提高了飞机的除冰效率和能耗利用率。
4、该可贴式自阻加热/超疏水一体化梯度薄膜材料的超疏水结构由微纳热压印技术实现，可重复压印绝缘导热区域以保证超疏水结构的有效性，重复利用率高。
需要说明的是，以上所述为本发明较佳实施例，对于本领域的普通技术人员而言，根据本发明的教导，在不脱离本发明的原理与精神的情况下，对实施方式所进行的改变、修改、替换和变型仍落入本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种可贴式自阻加热/超疏水一体化梯度薄膜材料，其特征在于，该薄膜材料由粘接树脂、绝缘隔热树脂、导热导电填料(3)和导热绝缘填料(4)制成，其中：
所述粘接树脂和绝缘隔热树脂分别形成粘接层(1)和基体(2)，二者粘接在一起，粘接层(1)在下、基体(2)在上，所述绝缘隔热树脂选用的是表面能低于50mN/m的绝缘隔热树脂；
所述导热导电填料(3)和导热绝缘填料(4)分别添加于基体(2)的中间层和上层，将基体(2)由上至下分成3个梯度区域：绝缘导热区域(21)、导电导热区域(22)、绝缘隔热区域(23)，绝缘隔热区域(23)未对绝缘隔热树脂进行任何处理，绝缘导热区域(21)、导电导热区域(22)、绝缘隔热区域(23)分别制备后进行半固化处理，拼接后再进行完全固化处理形成3个梯度区域，其中，绝缘导热区域(21)的表面还通过微纳热压印构筑有超疏水结构，所述超疏水结构为微纳凹凸结构，凸起(52)部分为立方柱状疏水矩阵结构，使用时，将导电导热区域(22)通过电极/导线外接低压电源，通电后整个薄膜材料即可产生热能。
2.根据权利要求1所述的可贴式自阻加热/超疏水一体化梯度薄膜材料，其特征在于，所述表面能低于50mN/m的绝缘隔热树脂选用的是硅系树脂或氟改性系列树脂。
3.根据权利要求2所述的可贴式自阻加热/超疏水一体化梯度薄膜材料，其特征在于，所述硅系树脂选用的是聚二甲基硅氧烷树脂、甲基苯基硅树脂或氨基硅树脂。
4.根据权利要求2所述的可贴式自阻加热/超疏水一体化梯度薄膜材料，其特征在于，所述氟改性系列树脂选用的是氟改性硅树脂、氟改性丙烯酸酯树脂或氟改性聚氨酯树脂。
5.根据权利要求1所述的可贴式自阻加热/超疏水一体化梯度薄膜材料，其特征在于，所述导热绝缘填料(4)选用的是氧化石墨烯、氮化铝陶瓷或氮化硼陶瓷。
6.根据权利要求1所述的可贴式自阻加热/超疏水一体化梯度薄膜材料，其特征在于，所述导热导电填料(3)选用的是银粉颗粒、铜粉颗粒、石墨或碳纳米管。
7.根据权利要求1所述的可贴式自阻加热/超疏水一体化梯度薄膜材料，其特征在于，所述粘接树脂选用的是环氧树脂AB胶、聚氨酯胶黏剂或3M快干胶。
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