CN112009694B - 一种可用于三维复杂曲面的电加热防冰涂层的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种可用于三维复杂曲面的电加热防冰涂层的制备方法。所述可用于三维复杂曲面的电加热防冰涂层包括底层电极层、中间加热层和顶层电极层，该制备方法包括：在三维曲面基材表面制备具有导电性能的底层材料，形成底层电极层；制备具有导电性能的中间加热层材料；所述中间加热层材料包括导电粒子、聚合物基体、稀释剂和分散剂；将所述中间加热层材料喷涂于所述底层电极层的表面，形成中间加热层；在所述中间加热层的表面制备具有导电性能的顶层材料，形成顶层电极层。本发明制备的电加热防冰涂层可以适用于飞机复杂构件的防除冰。

Description

一种可用于三维复杂曲面的电加热防冰涂层的制备方法

技术领域

本发明涉及工艺制备领域，特别是涉及一种可用于三维复杂曲面的电加热防冰涂层的制备方法。

背景技术

飞机结冰是指飞机在大气中飞行时，其部件表面上积聚了冰层的现象。一般来说，飞机结冰可能发生在机翼前缘、尾翼、发动机进气道前缘、风挡玻璃、仪器传感头等部位，并会对飞行的性能造成极大的损害：结冰不仅增加了飞机的重量，而且破坏了机翼的气动外形，因而阻力增加，升力下降，操纵性、稳定性下降；特别是当仪器、仪表结冰后，还会导致指示失常，而一些飞行器的元器件往往具有复杂的三维结构，也增大了曲面加热的难度。风力发电机的叶片结冰会改变风机叶片的频率，进而改变其动态响应行为，严重影响发电机的效率；高铁高寒线的地盘的结冰也会严重影响高铁的运行安全。

传统电加热防除冰已是传统防除冰技术中应用最广泛的技术之一，但传统的电加热方式是通过在基板内侧布置电阻丝，电阻丝产生的热通过机体材料传递到外表面，能量利用率低，同时造成材料内外温差比较大，在防冰表面需要维持一定温度的前提下造成内部温度过高，对材料本身提出较高的耐温要求。另外，部分位置(如机翼骨架)无法布置加热电阻丝，因而无法直接加热防冰。对于一些风速管等具有复杂结构的三维表面，传统的方式往往不能应用，因此需要一种新型的电加热方式。

电加热防冰涂层作为一种新型主动防冰方法，可以直接涂覆于防护区域外表面，无需对原表面设计做较大更改，大幅减少了由内而外传热产生的能量损耗，使得其防冰能耗与防冰温度更低，已成为新兴的主动防冰方法，备受国内外关注，但现有的电加热涂层技术，采用两条平行电极，适用于平面或者结构简单的曲面结构，并不适用于复杂的三维曲面的加热。

因此，亟需一种可在复杂三维曲面上制备的新型的电加热防除冰技术，以适用于飞机复杂构件的防除冰。

发明内容

本发明的目的是提供一种可用于三维复杂曲面的电加热防冰涂层的制备方法，以实现飞机复杂构件的防除冰。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种可用于三维复杂曲面的电加热防冰涂层的制备方法，所述可用于三维复杂曲面的电加热防冰涂层包括底层电极层、中间加热层和顶层电极层；所述可用于三维复杂曲面的电加热防冰涂层的制备方法包括：

在三维曲面基材表面制备具有导电性能的底层材料，形成底层电极层；

制备具有导电性能的中间加热层材料；所述中间加热层材料包括导电粒子、聚合物基体、稀释剂和分散剂；

将所述中间加热层材料喷涂于所述底层电极层的表面，形成中间加热层；

在所述中间加热层的表面制备具有导电性能的顶层材料，形成顶层电极层。

可选的，所述在三维曲面基材表面制备具有导电性能的底层材料，形成底层电极层，之前还包括：

将所述三维曲面基材表面用砂纸打磨或进行喷砂处理，并进行反复清洗。

可选的，所述在三维曲面基材表面制备具有导电性能的底层材料，形成底层电极层，具体包括：

采用磁控溅射的方式在三维曲面基材表面溅射金属层，形成底层电极层；

或者采用喷涂导电胶的方式在所述三维曲面基材表面喷涂导电胶，形成底层电极层。

可选的，所述制备具有导电性能的中间加热层材料，具体包括：

将所述导电粒子、所述聚合物基体、所述稀释剂和所述分散剂混合，磁力搅拌30分钟，并用超声清洗机超声振动1小时，得到所述中间加热层材料。

可选的，所述导电粒子为纳米尺度的导电颗粒，所述导电颗粒为石墨粉、石墨烯、碳纳米管、纳米银粉和纳米铜粉中的一种或多种；所述聚合物基体为硅橡胶、PVC材料和环氧树脂基材料中的一种或多种；所述稀释剂为有机溶剂；所述分散剂为乙二醇、十六烷基三甲基溴化铵和异丙烷中的一种或多种。

可选的，所述将所述中间加热层材料喷涂于所述底层电极层的表面，形成中间加热层，之后还包括：

在热烘箱中80℃条件下加热固化24小时，或者常温固化48小时。

可选的，所述在所述中间加热层的表面制备具有导电性能的顶层材料，形成顶层电极层，具体包括：

采用磁控溅射的方式在所述中间加热层的表面溅射金属层，形成顶层电极层；

或者采用喷涂导电胶的方式在所述中间加热层的表面喷涂导电胶，形成顶层电极层。

可选的，所述在所述中间加热层的表面制备具有导电性能的顶层材料，形成顶层电极层，之后还包括：

在所述顶级电极层表面喷涂航空涂料，形成保护层。

可选的，所述航空涂料为聚氨酯漆、氟碳漆或丙烯酸漆。

可选的，所述在所述顶级电极层表面喷涂航空涂料，形成保护层，之后还包括：

在热烘箱中100℃条件下加热固化12小时，或者常温固化48小时。

根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：

本发明底层电极层、顶层电极层以及中间加热层材料采用喷涂或者溅射的工艺方式，可用于复杂的三维曲面结构，实现复杂曲面的加热，满足飞行器传感器等复杂结构的电加热防除冰的需求；中间加热层材料选用导电性能优良的材料作为填料，选取有机物作为基体材料，可实现曲面的加热；采用三层结构，可将涂层制备于曲面上，实现曲面的均匀加热。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明可用于三维复杂曲面的电加热防冰涂层的截面示意图；

图2为本发明可用于三维复杂曲面的电加热防冰涂层的制备方法的流程示意图；

图3为本发明制备中间加热层材料的流程示意图；

图4为本发明制备中间加热层的流程示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

图1为本发明可用于三维复杂曲面的电加热防冰涂层的截面示意图，如图1所示，本发明可用于三维复杂曲面的电加热防冰涂层包括底层电极层、中间加热层和顶层电极层。其中，中间加热层材料混合导电性以及导热性俱佳的材料作为导电功能颗粒，采用高聚物作为基体粘结相，制备相应的电加热材料。整个电加热防冰涂层采用“三明治结构”的工艺制备方案，可应用于三维曲面，为飞机复杂曲面防除冰的应用提供了一套可行的工艺与材料方案。

图2为本发明可用于三维复杂曲面的电加热防冰涂层的制备方法的流程示意图。如图2所示，本发明可用于三维复杂曲面的电加热防冰涂层的制备方法包括以下步骤：

Step1：在三维曲面基材表面制备具有导电性能的底层材料，形成底层电极层，并连接导线。本发明采用磁控溅射或者喷涂导电胶的方式制备底层电极层。采用磁控溅射的方式时，在三维曲面基材表面涂抹溅射金属，形成底层电极层。采用喷涂导电胶的方式时，在三维曲面基材表面喷涂导电胶，制备出底层电极层，并在热烘箱中100℃条件下加热固化24小时或者常温固化48小时，完成底层电极层的制备。导电胶可以采用商用导电胶，例如导电银浆或导电铜浆。采用磁控溅射等方式溅射形成底层电极层，使得电流在底层电极层均匀分布，可均匀流通于底层电极层、中间层加热层和顶层电极层，实现均匀加热。

在制备底层电极层之前，可以对三维曲面基材表面采用砂纸打磨或者喷砂处理，并反复清洗，获得干净粗糙的表面，以提高底层电极层与基材的结合力。

Step2：制备具有导电性能的中间加热层材料。所述中间加热层材料包括导电粒子、聚合物基体、稀释剂和分散剂。图3为本发明制备中间加热层材料的流程示意图，如图3所示，首先选取导电粒子、聚合物基体、稀释剂和分散剂。导电粒子为纳米尺度的导电颗粒，选取石墨粉、石墨烯、碳纳米管、纳米银粉和纳米铜粉中的一种或多种作为高导电性的导电粒子；选取硅橡胶、PVC材料和环氧树脂基材料中的一种或多种聚合物作为基体；选取甲苯、丙酮等有机溶液作为稀释剂；选取乙二醇、十六烷基三甲基溴化铵和异丙烷等中的一种或多种作为分散剂。然后将导电粒子、聚合物基体稀释剂以及分散剂混合，磁力搅拌30分钟，并用超声清洗机超声振动1小时，得到中间加热层材料。本发明的中间加热层材料选用导电性能优良的材料作为填料，其导电填料(导电颗粒)的掺杂比不易过大，选取有机物作为基体材料，可实现曲面的加热。

Step3：将中间加热层材料采用喷涂的方式喷涂于底层电极层的表面，形成中间加热层，并在热烘箱中80℃条件下加热固化24小时，或者常温固化48小时，如图4所示，图4为本发明制备中间加热层的流程示意图。

Step4：待中间加热层完全固化后，在中间加热层的表面制备具有导电性能的顶层材料，形成顶层电极层，并连接导线。顶层电极层的制备方式与底层电极层的制备方式相同，可采用磁控溅射或者喷涂导电胶的方式制备。

制备顶层电极层之后，可以进一步在顶层电极层表面喷涂商用灯塔保护涂料，如聚氨酯清漆、氟碳漆等商用的航空外漆，形成保护层，然后在热烘箱100℃条件下固化12小时或者常温固化48小时，以保护内部电极等结构。

本发明的电加热防冰涂层制备完成后，在底层电极层以及顶层电极层之间施加电压，即可实现三维曲面基材的均匀加热。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (8)

1.一种可用于三维复杂曲面的电加热防冰涂层的制备方法，其特征在于，所述可用于三维复杂曲面的电加热防冰涂层包括底层电极层、中间加热层和顶层电极层；所述可用于三维复杂曲面的电加热防冰涂层的制备方法包括：

在三维曲面基材表面制备具有导电性能的底层材料，形成底层电极层；具体方式为：采用磁控溅射的方式在三维曲面基材表面溅射金属层，形成底层电极层；或者采用喷涂导电胶的方式在所述三维曲面基材表面喷涂导电胶，形成底层电极层；

制备具有导电性能的中间加热层材料；所述中间加热层材料包括导电粒子、聚合物基体、稀释剂和分散剂；

将所述中间加热层材料喷涂于所述底层电极层的表面，形成中间加热层；

在所述中间加热层的表面制备具有导电性能的顶层材料，形成顶层电极层；具体方式为：采用磁控溅射的方式在所述中间加热层的表面溅射金属层，形成顶层电极层；或者采用喷涂导电胶的方式在所述中间加热层的表面喷涂导电胶，形成顶层电极层。

2.根据权利要求1所述的可用于三维复杂曲面的电加热防冰涂层的制备方法，其特征在于，所述在三维曲面基材表面制备具有导电性能的底层材料，形成底层电极层，之前还包括：

将所述三维曲面基材表面用砂纸打磨或进行喷砂处理，并进行反复清洗。

3.根据权利要求1所述的可用于三维复杂曲面的电加热防冰涂层的制备方法，其特征在于，所述制备具有导电性能的中间加热层材料，具体包括：

将所述导电粒子、所述聚合物基体、所述稀释剂和所述分散剂混合，磁力搅拌30分钟，并用超声清洗机超声振动1小时，得到所述中间加热层材料。

4.根据权利要求1所述的可用于三维复杂曲面的电加热防冰涂层的制备方法，其特征在于，所述导电粒子为纳米尺度的导电颗粒，所述导电颗粒为石墨粉、石墨烯、碳纳米管、纳米银粉和纳米铜粉中的一种或多种；所述聚合物基体为硅橡胶、PVC材料和环氧树脂基材料中的一种或多种；所述稀释剂为有机溶剂；所述分散剂为乙二醇、十六烷基三甲基溴化铵和异丙烷中的一种或多种。

5.根据权利要求1所述的可用于三维复杂曲面的电加热防冰涂层的制备方法，其特征在于，所述将所述中间加热层材料喷涂于所述底层电极层的表面，形成中间加热层，之后还包括：

在热烘箱中80℃条件下加热固化24小时，或者常温固化48小时。

6.根据权利要求1所述的可用于三维复杂曲面的电加热防冰涂层的制备方法，其特征在于，所述在所述中间加热层的表面制备具有导电性能的顶层材料，形成顶层电极层，之后还包括：

在所述顶层电极层表面喷涂航空涂料，形成保护层。

7.根据权利要求6所述的可用于三维复杂曲面的电加热防冰涂层的制备方法，其特征在于，所述航空涂料为聚氨酯漆、氟碳漆或丙烯酸漆。

8.根据权利要求7所述的可用于三维复杂曲面的电加热防冰涂层的制备方法，其特征在于，所述在所述顶层电极层表面喷涂航空涂料，形成保护层，之后还包括：

在热烘箱中100℃条件下加热固化12小时，或者常温固化48小时。

Images