CN110773871A - 一种在空速管的非平表面上制备防结冰表面的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种在空速管的非平表面上制备防结冰表面的制备方法，具体方法步骤为将空速管固定在X‑Y二维移动平台上，待加工；用X‑Y二维移动平台将空速管置于指定位置，使用中心波长为355nm、脉宽为10ns、激光重复频率为10Hz的激光器搭建光路产生贝塞尔光束，调节激光参数，进行激光扫描加工，得到具有高粗糙度的防结冰表面；对具有高粗糙度的防结冰表面的空速管进行氟化处理，即得超疏水防结冰表面。本发明解决了高斯光束激光仅仅只能在平面上刻蚀的技术难题。本发明可以应用于航空航天器件中的非平表面的防结冰表面的制备，实验结果也表现出了优异防结冰性能。

Description

一种在空速管的非平表面上制备防结冰表面的制备方法

技术领域

本发明涉及微纳加工领域中的航空航天飞行器金属材料表面的改性防结冰处理方法，尤其涉及一种在空速管的非平表面上制备防结冰表面的制备方法。

背景技术

冰雪作为一种常见的自然现象有时候会对人类活动产生巨大的影响。当过冷水滴与暴露结构的表面接触时，冰霜凝结就会发生，这可能导致许多物质损失和社会经济代价，包括电力传输、电信网络、飞机、船只等。在平流层中，大量过冷水滴聚集在云中。当飞机穿过这些云层时，过冷的水滴会在飞机表面结冰，特别是在旋翼、尾桨的前端和发动机的进气口会积霜，甚至结冰，这会对飞行器的正常飞行造成极大的挑战。因此，预防飞行器和其他在低温下工作机器结冰尤为重要。在过去十多年里，为了减少冰在结构表面的积累、提高机械结构表面的防结冰能力，已经发展了多种防结冰方法。传统的防积冰方法大多是以除冰技术为主要手段，包括加热处理、机械震动除冰、喷洒融冰剂和其他被动法。这些除冰方法的效果并不理想，因为它们不能从根本上解决问题，需要大量的消耗能源，对环境造成污染。能源和环境问题是当今世界关注的焦点，因此，如何节约能源，避免环境污染是现代技术发展的一个关键问题。由于当前的防结冰方法难以满足工程实际要求，新型的防结冰方法逐渐成为研究的热点。

我们知道航天飞行器表面结冰的过程是液滴粘附在飞行器表面结晶成核的过程。因此，减少液滴与机械结构表面的接触面积和粘附时间是防止飞行器表面结冰的有效手段。铝合金材是航天飞行器的主要材料，目前针对航天铝合金防结冰处理的研究不够完善、防结冰效果有待提高。

液滴在金属表面的浸润性是表征金属表面防结冰的一个重要参数，超疏水表面上的液滴具有较大的接触角和较小的滚动角，因此能够有效的减少液滴与机械结构表面的接触面积和黏附时间，是防止金属表面结冰的有效手段。在金属材料上构造超疏水表面的方法有很多，典型方法有化学腐蚀法、阳极氧化法、电化学刻蚀法、激光刻蚀法等。化学腐蚀法、阳极氧化法电化学刻蚀法操作过程复杂、工艺过程中产生大量废液，对环境污染较大，而激光刻蚀法操作简单，工艺过程中不会产生有毒有害的废液污染环境。

激光微加工制作超疏水表面已经得到了广泛的研究。申请号201410657627.4的专利公开了一种利用激光制备类玫瑰花表面微观结构的周期性微纳米结构，在对表面进行底表面能修饰，实现超疏水特性；申请号201510279894.7的专利公开了一种利用激光直接在钛合金上打出栅栏式结构实现超疏水特性；申请号20131007993907的专利公开了先在铝合金上激光加工，然后再利用化学腐蚀实现铝合金表面的超疏水特性。

但是，由于激光聚焦后的高斯光斑焦深有限，以上专利中提到的激光加工的金属表面只能是平整的，如果对空速管等非平表面加工，需要复杂的三维移动平台和精密移动控制，这将增大制造的复杂度和工时。

发明内容

为降低空速管等非平表面加工时的加工复杂度的技术问题，本发明提供一种在空速管的非平表面上制备防结冰表面的制备方法。

本发明采用以下技术方案实现：一种在空速管的非平表面上制备防结冰表面的制备方法，所述制备方法步骤如下：

S1：将空速管固定在X-Y二维移动平台上，待加工；

S2：用X-Y二维移动平台将空速管置于指定位置，使用中心波长为355nm、脉宽为10ns、激光重复频率为10Hz的激光器搭建光路产生贝塞尔光束，调节所述激光器的激光参数，利用所述贝塞尔光束进行激光扫描加工，在空速管的非平表面上形成具有高粗糙度的防结冰表面；

S3：将步骤S2中得到的具有高粗糙度的防结冰表面的空速管放入氟硅烷溶液中浸泡12h，然后取出在通风橱中静置2-3h，待其表面干燥，在空速管的非平表面上形成超疏水防结冰表面，所述超疏水防结冰表面具有二级微纳栅栏式结构，其中，所述氟硅烷溶液为1H,1H,2H,2H-全氟癸基三乙氧基硅烷和无水乙醇配制体积比1：50-150配制而成。

作为上述方案的进一步改进，所述步骤S2中的激光参数为：选用激光功率为0-35mw的纳秒激光器，激光焦点光斑直径50μm，激光打点次数为1-10次，打点时间为100-200ms，X方向打点间距为10-30μm，Y方向打点间距为30-50μm。

作为上述方案的进一步改进，在步骤S3之前还包括将具有高粗糙度的防结冰表面放入盛有去离子水的超声波清洗仪中清洗干净，然后取出烘干。

作为上述方案的进一步改进，在步骤S1之前还包括对空速管的预处理过程：将空速管进行表面抛光处理，然后进行清洗并烘干。

进一步地，所述抛光处理过程为使用1000目的SiC水砂纸抛光25min。

作为上述方案的进一步改进，所述清洗为：将空速管放入盛有去离子水的超声波清洗仪中清洗干净，所述烘干为：静置于通风处中自然晾干或使用吹风机吹干。

进一步地，所述烘干为：静置于通风处中自然晾干或使用吹风机吹干。

进一步地，所述1H,1H,2H,2H-全氟癸基三乙氧基硅烷和无水乙醇配制体积比为1：100。

本发明还提供一种空速管，其非平表面上具有防结冰表面，所述防结冰表面采用以上在空速管的非平表面上制备防结冰表面的制备方法制备而成。

作为上述方案的进一步改进，所述防结冰表面具有二级微纳栅栏式结构。

本发明的在空速管的非平表面上制备防结冰表面的制备方法，贝塞尔光束的长焦深也可以加工空速管等非平表面，在高曲率表面上一步制备超疏水防结冰结构，完全克服了高斯光束仅仅只能加工平整的金属表面；利用本发明制备的超疏水防结冰表面最大接触角可达162°，最小滚动角为1°；本发明的制备方法简单工艺简单，操作方便，完全克服了传统化学试剂刻蚀金属表面的工艺复杂又产生大量污染。

附图说明

图1为本发明生成贝塞尔的锥透镜图；

图2为本发明贝塞尔光束聚焦示意图；

图3为本发明非平面表面超疏水表面制作示意图；

图4为本发明方法流程框图；

图5为本发明不同功率下加工的超疏水表面电镜图；

图6为本发明在5mw、15mw、25mw、35mw功率下加工的超疏水表面在不同温度下接触角和滚动角的变化图；

图7为本发明模拟环境下未处理的铝合金和铝合金超疏水表面的防结冰效果对比图；

图8为本发明模拟环境下未处理样品与处理过后的样品表面积冰面积占比。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

请参照图4，本发明的一种在空速管的非平表面上制备防结冰表面的制备方法，利用贝塞尔光束的长焦深在非平表面上构造二级微纳栅栏式结构。

a：将空速管表面用1000目的SiC水砂纸抛光25min，然后将样品用超声波清洗仪清洗干净，超声波清洗仪的超声波频率为40Hz，用电阻率为20.15MΩ的去离子水清洗表面，在室温下连续清洗40min，清洗干净后将其置于通风橱中晾干或者用吹风机吹干，即得到洁净的空速管。

b：将空速管夹持在夹具上，并将夹具固定在X-Y二维移动平台上，在加工过程中，这里仅仅使用了X-Y二维移动平台进行加工，而不需要使用X-Y-Z三维移动平台对空速管进行加工，Z轴方向的精确位置控制不再需要，大大降低了在加工过程中的复杂程度和工时，提高了加工效率和成品率。

c：将样品移动到合适的位置，搭建光路产生贝塞尔光束，贝塞尔光束透镜与贝塞尔光束如图1-2所示，用激光功率5mw、15mw，25mw，35mw的纳秒激光器，激光焦点光斑直径50μm加工，打点次数设置为3，打点时间设置为100ms，X方向打点间距是20μm，Y方向打点间距设置成40μm，加工出高粗糙度表面的栅栏式结构且该结构上附着更小的纳米颗粒，所用的纳秒激光器中心波长为355nm，脉宽为10ns，重复频率为10Hz，激光的通断及振镜系统的扫描范围、扫描轨迹以及加工时间均由计算机程序控制。通常研究人员将液滴在固体表面上接触角大于150°、滚动角小于10°的表面成为超疏水表面，同时这种超疏水表面具有自我清洁作用，研究表明，接触角越大、滚动角越小其自我清洁作用更加明显，延缓水滴在涂层表面的结冰时间的能力越强，同时还可以减少和避免水滴在涂层表面的附着能力使得水滴在涂层表面不易积累，或是在未结冰之前就已从涂层表面借助于重力、风力或其他外力的作用滑落，从而减少了冰在其表面形成的机会，而使用本发明中的激光器参数激发产生赛贝尔光束制备而成的防结冰表面涂层，其接触角能够达到162°、滚动角能够达到1°，如图6所示，因此其表面的自清洁能力更强，也就是说通过本发明的方法制备的防结冰表面具有更强的超疏水防结冰能力。

贝塞尔光束是一种空间电磁场强度分布为第一类贝塞尔函数的光场。在空间中自由传输时，在传播截面上的光场分布是中心点和一系列同心圆环，能量从内向外逐点降低，光束具有更长的焦深，在激光微纳加工中具有更大的加工的动态范围，对于加工空速管等非平表面有着独特的优势，产生贝塞尔光的锥透镜示意图和贝塞尔光束聚焦示意图如图1-2所示。由于贝塞尔光的无衍射特性，其中心点能量在相当长的一段传输距离内保持不变，该特性在钻孔、长焦距加工等领域有着重要应用，在针对以空速管为典型的非平表面进行加工时，贝塞尔光的长焦深特性使得在加工中仅需对工件的X-Y位置进行移动，而无需调整Z方向，因此不需要使用复杂的三维工具进行加工。

d：将激光扫描过后的样品用超声波清洗仪清洗干净，超声波清洗仪的超声波频率为40Hz，用电阻率为20.15MΩ的去离子水清洗表面，在室温下连续清洗40min，清洗干净后将其置于通风橱中晾干或者用吹风机吹干，获得高粗糙度表面的结构如图5所示。

e：对获得高粗糙度表面进行氟化处理；利用1H,1H,2H,2H-全氟癸基三乙氧基硅烷和无水乙醇配制体积比1：100的氟硅烷试剂，将加工好的高粗糙度表面置于氟硅烷试剂中12h，然后用镊子取出置于通风橱中2.5h，以确保超疏水表面干燥，得到超疏水防结冰表面；整个制作过程的加工示意图如图3所示，在氟化过程中使用的为1H,1H,2H,2H-全氟癸基三乙氧基硅烷和无水乙醇混合溶液，无水乙醇作为其有机溶剂，具有无污染的等特点，而1H,1H,2H,2H-全氟癸基三乙氧基硅烷在经过氟化处理后其排出物均为环境友好型产物，而且本发明中的硅氧烷溶液可以重复使用，因此使用本发明的方法制备防结冰表面产生的污染更小，更加环保，符合现代化工业生产的排放标准。

实验例1

我们本次实验利用接触角和滚动角来表征超疏水表面的浸润性和防结冰效果。

实验中测量了常温下(19℃)和低温下(0℃、-5℃、-10℃)液滴在样品表面的接触角和滚动角，如图6a-b所示，常温下激光功率超过5mw时，液滴与样品表面的接触角均在155°，表现为超疏水，随着温度的降低，各个样品表面的接触角均有所减小，激光加工功率低的样品表面液滴接触角减小的更明显；当温度降低到-5℃以下时，激光功率25mw以上的样品的接触角维持在120°左右，趋于平稳；激光功率在15mw及以下时接触角在105°以下，并且有下降的趋势；同时，滚动角在低温下也是显著增加，对于扫描功率小于15mw时制备的样品，在0℃时都成为了高粘附性的表面，水滴不能在表面滚动；对于扫描功率大于25mw制备的样品，低温下依然保持一定的滚动性，如图6c-d所示。

实验例2

在高空环境中，温度很低，平流层的云层中含有大量水分，当飞机云层时会有大量的过冷液滴粘附在飞机表面。

本次实验模拟航天飞行器在极端的自然环境下过冷液滴在飞机表面的结晶情况；将经过激光加工处理过的铝合金超疏水表面与一块未经处理的铝合金并排放置在温度为-10℃的环境中，冷冻1h；利用水雾喷射器在两个样品上方喷洒脉冲式小液滴，每次喷洒200μL，周期4min，实际防结冰效果如图7。

由图8所示，随着实验的进行，在第4次喷洒液滴时裸铝表面已经完全被冰晶覆盖，超疏水表面的冰晶随着实验的进行缓慢增加，未结晶的液滴面积却出现增加，在第4、5次喷洒液滴时液滴面积达到峰值，随后下降，这是因为随着实验的进行大部分液滴都已经结成冰晶。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种在空速管的非平表面上制备防结冰表面的制备方法，其特征在于，所述制备方法步骤如下：

S1：将空速管固定在X-Y二维移动平台上，待加工；

S2：用X-Y二维移动平台将空速管置于指定位置，使用中心波长为355nm、脉宽为10ns、激光重复频率为10Hz的激光器搭建光路产生贝塞尔光束，调节所述激光器的激光参数，利用所述贝塞尔光束进行激光扫描加工，在空速管的非平表面上形成具有高粗糙度的防结冰表面；

S3：将步骤S2中得到的具有高粗糙度的防结冰表面的空速管放入氟硅烷溶液中浸泡12h，然后取出在通风橱中静置2-3h，待其表面干燥，在空速管的非平表面上形成超疏水防结冰表面，所述超疏水防结冰表面具有二级微纳栅栏式结构，其中，所述氟硅烷溶液为1H,1H,2H,2H-全氟癸基三乙氧基硅烷和无水乙醇配制体积比1：50-150配制而成。

2.如权利要求1所述的在空速管的非平表面上制备防结冰表面的制备方法，其特征在于：所述步骤S2中的激光参数为：选用激光功率为0-35mw的纳秒激光器，激光焦点光斑直径50μm，激光打点次数为1-10次，打点时间为100-200ms，X方向打点间距为10-30μm，Y方向打点间距为30-50μm。

3.如权利要求1所述的在空速管的非平表面上制备防结冰表面的制备方法，其特征在于：在步骤S3之前还包括将具有高粗糙度的防结冰表面放入盛有去离子水的超声波清洗仪中清洗干净，然后取出烘干。

4.如权利要求1所述的在空速管的非平表面上制备防结冰表面的制备方法，其特征在于：在步骤S1之前还包括对空速管的预处理过程：将空速管进行表面抛光处理，然后进行清洗并烘干。

5.如权利要求4所述的在空速管的非平表面上制备防结冰表面的制备方法，其特征在于：所述抛光处理过程为使用1000目的SiC水砂纸抛光25min。

6.如权利要求4所述的在空速管的非平表面上制备防结冰表面的制备方法，其特征在于：所述清洗为：将空速管放入盛有去离子水的超声波清洗仪中清洗干净。

7.如权利要求3所述的在空速管的非平表面上制备防结冰表面的制备方法，其特征在于：所述烘干为：静置于通风处中自然晾干或使用吹风机吹干。

8.如权利要求1所述的在空速管的非平表面上制备防结冰表面的制备方法，其特征在于：所述1H,1H,2H,2H-全氟癸基三乙氧基硅烷和无水乙醇配制体积比为1：100。

9.一种空速管，其非平表面上具有防结冰表面，其特征在于：所述防结冰表面采用如权利要求1-8中任一项所述的在空速管的非平表面上制备防结冰表面的制备方法制备而成。

10.如权利要求9所述的一种空速管，其特征在于：所述防结冰表面具有二级微纳栅栏式结构。

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