CN112222766A - 一种控制液滴定向弹跳的取向性表面制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种控制液滴定向弹跳的取向性表面制备方法，属于精密机械加工技术领域，包括以下步骤：S1.将铝合金基体进行超声清洗，得到表面洁净的铝合金基体；S2.利用中走丝精密线切割机床在铝合金基体表面加工取向性非对称齿形结构；S3.利用激光在取向性非对称齿形结构表面进行加工，获得取向性非对称齿形结构表面分布有纳米絮状结构的铝合金基体；S4.将构筑完成的铝合金基体再次进行清洗，清洗后干燥；S5.将干燥后的铝合金基体进行低表面能改性处理，取出干燥，获得具有超疏水表面的铝合金基体。制作方法简单，制备过程精确可控，制备的结构较为简单、成本低廉，可实现对液滴弹跳方向的精确控制，达到金属表面主动防冰的目的。

Description

一种控制液滴定向弹跳的取向性表面制备方法
技术领域
本发明属于精密机械加工技术领域，具体涉及一种控制液滴定向弹跳的取向性表面制备方法。
背景技术
飞机在飞行过程中，其迎风表面会聚集冰层，发生结冰现象。当过冷水滴撞击飞机表面，会在其表面结冰。过冷水滴是指在零度以下仍为液体的水滴，当与飞机发生碰撞时，会迅速在飞机表面结冰，且该类冰层具有较高的附着力。当飞机尾翼、发动机进气道、雷达等重要航空部件发生结冰现象时，会对飞行安全造成巨大的威胁。
目前常用的除冰方法有电热除冰和电脉冲除冰。虽然电热和电脉冲除冰是两种相对成熟的飞机尾翼除冰技术，并且已有具体工程化应用，但是电热除冰电能消耗大、过加热时会出现后流冰现象以及电脉冲除冰强烈的电磁干扰和对蒙皮有损伤，从而影响飞机的有效作业范围以及服役寿命。
中国科学院江雷院士团队通过软光刻与晶体生成的方法制备出一种表面具备弹性针的超疏水表面，并添加磁性材料以及通过外加磁场的方式，对弹性针的弯曲角度进行调节，实现了液滴不同方向的弹跳。现有的研究大多都是通过磁控等外部手段来实现液滴的定向反弹，因此大大限制了适用场景。如何在不添加外部设施的情况下，实现液滴的定向弹跳，同时使液滴在与材料表面接触时具有极端的接触时间以及较小的扩散面积，以上两点是解决飞机表面防冰的关键问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种控制液滴定向弹跳的取向性表面制备方法，提高除冰效率和降低除冰能耗，以解决传统飞机单纯电热除冰技术存在较大能耗的问题。
为实现本发明目的，采用的技术方案为：一种控制液滴定向弹跳的取向性表面制备方法，包括以下步骤：
S1.将铝合金基体进行超声清洗，得到表面洁净的铝合金基体；
S2.利用中走丝精密线切割机床在铝合金基体表面加工取向性非对称齿形结构；
S3.利用激光在取向性非对称齿形结构表面进行加工，获得取向性非对称齿形结构表面分布有纳米絮状结构的铝合金基体；
S4.将构筑完成的铝合金基体再次进行清洗，清洗后干燥；
S5.将干燥后的铝合金基体进行低表面能改性处理，取出干燥，获得具有超疏水表面的铝合金基体。
作为进一步可选方案，所述S1中，铝合金基体的长×宽×高为2cm×2cm×0.3cm。
作为进一步可选方案，所述S1中，铝合金基体清洗后在90℃的真空干燥箱中干燥10min。
作为进一步可选方案，所述S2中，线切割机床的加工参数为：加工电流3A，脉冲宽度22UA，脉冲间隙10μs，功率输出8只，切割速度90mm2/min。
作为进一步可选方案，所述S3中，激光的激光光束入射方向垂直于铝合金基体取向性非对称齿形结构的表面,激光光束在铝合金基体取向性非对称齿形结构的表面进行平行线扫描。
作为进一步可选方案，激光的光斑直径为15μm，脉冲能量为40MW,扫描速度为15mm/s,扫描线间距为20μm。
作为进一步可选方案，所述S4中，铝合金基体清洗后在90℃的真空干燥箱中干燥10min。
作为进一步可选方案，所述S5中，将铝合金基体放入1H,1H,2H,2H-全氟癸基三乙氧基硅烷溶液进行低表面能改性。
作为进一步可选方案，所述1H,1H,2H,2H-全氟癸基三乙氧基硅烷溶液为1H,1H,2H,2H-全氟癸基三乙氧基硅烷与无水乙醇质量比为1:55的混合液。
作为进一步可选方案，浸泡时间为12小时，再取出干燥处理，在真空干燥箱中的温度为70℃，时间为2小时。
本发明的有益效果是：制作方法简洁，制备过程精确可控，制备的结构较为简单、成本低廉，可实现对液滴弹跳方向的精确控制，达到金属表面主动防冰的目的。提高了除冰效率，降低了除冰能耗。本发明的方法制备的表面耦合现有的电热除冰系统，对降低飞机除冰能耗、保障飞行安全具有重要意义。
附图说明
为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解的是，下面描述中的附图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的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明实施例提供的控制液滴定向弹跳的取向性表面制备方法中具有取向性非对称齿形结构的铝合金基体结构示意图；
图2是图1所示铝合金基体横截面示意图；
图3是本发明另一实施例提供的控制液滴定向弹跳的取向性表面制备方法中具有取向性非对称齿形结构的铝合金基体结构示意图；
图4是本发明实施例提供的控制液滴定向弹跳的取向性表面制备方法制得的表面和液滴的静态接触角图；
图5是本发明制备方法制得的表面上的液滴定向弹跳图。
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。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。可以理解的是，附图仅仅提供参考与说明用，并非用来对本发明加以限制。附图中显示的连接关系仅仅是为了便于清晰描述，并不限定连接方式。
需要说明的是，当一个组件被认为是“连接”另一个组件时，它可以是直接连接到另一个组件，或者可能同时存在居中组件。除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。
下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步阐述。
本发明提供的控制液滴定向弹跳的取向性表面制备方法，包括以下步骤：
S1.将铝合金基体进行超声清洗，得到表面洁净的铝合金基体；
S2.利用中走丝精密线切割机床在铝合金基体表面加工取向性非对称齿形结构，见图1、图2和图3，单个齿形为非对称式，均朝向一侧偏置，呈阵列分布，单排齿可为连续齿形，见图1，也可以是间隔的多个单元齿，见图3；齿形倾斜角度范围可为30°-90°；
S3.利用激光在取向性非对称齿形结构表面进行加工，获得取向性非对称齿形结构表面分布有纳米絮状结构的铝合金基体；
S4.将构筑完成的铝合金基体再次进行清洗，清洗后干燥；
S5.将干燥后的铝合金基体进行低表面能改性处理，取出干燥，获得具有超疏水表面的铝合金基体。
针对传统飞机单纯电热除冰技术存在较大能耗的缺点，本方法实现了铝合金表面的防结冰微纳结构的设计，控制液滴的方向性弹跳。见图4、图5。液滴撞击本方法制得的表面，从而控制液滴弹跳的方向。制得的表面能有效减少过冷液滴撞击本表面的概率，从而达到主动防冰的目的，提高了除冰效率。
具体的，S1中，铝合金基体尺寸可采用长×宽×高为2cm×2cm×0.3cm。S1中，铝合金基体清洗后在90℃的真空干燥箱中干燥10min。在S2中，线切割机床的加工参数为：加工电流3A，脉冲宽度22UA，脉冲间隙10μs，功率输出8只，切割速度90mm2/min。
在S3中，激光的激光光束入射方向垂直于铝合金基体取向性非对称齿形结构的表面,激光光束在铝合金基体取向性非对称齿形结构的表面进行平行线扫描。激光的参数可为：激光的光斑直径为15μm，脉冲能量为40MW,扫描速度为15mm/s,扫描线间距为20μm。
S4中，铝合金基体清洗后在90℃的真空干燥箱中干燥10min。所述S5中，将铝合金基体放入1H,1H,2H,2H-全氟癸基三乙氧基硅烷溶液进行低表面能改性。
1H,1H,2H,2H-全氟癸基三乙氧基硅烷溶液可以为1H,1H,2H,2H-全氟癸基三乙氧基硅烷与无水乙醇质量比为1:55的混合液。在混合液中浸泡时间为12小时，然后再取出干燥处理，在真空干燥箱中的温度为70℃，时间为2小时。
本发明不局限于上述可选实施方式，任何人在本发明的启示下都可得出其他各种形式的产品，但不论在其形状或结构上作任何变化，凡是落入本发明权利要求界定范围内的技术方案，均落在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种控制液滴定向弹跳的取向性表面制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1.将铝合金基体进行超声清洗，得到表面洁净的铝合金基体；
S2.利用中走丝精密线切割机床在铝合金基体表面加工取向性非对称齿形结构；
S3.利用激光在取向性非对称齿形结构表面进行加工，获得取向性非对称齿形结构表面分布有纳米絮状结构的铝合金基体；
S4.将构筑完成的铝合金基体再次进行清洗，清洗后干燥；
S5.将干燥后的铝合金基体进行低表面能改性处理，取出干燥，获得具有超疏水表面的铝合金基体。
2.根据权利要求1所述的控制液滴定向弹跳的取向性表面制备方法，其特征在于，所述S1中，铝合金基体的长×宽×高为2cm×2cm×0.3cm。
3.根据权利要求1所述的控制液滴定向弹跳的取向性表面制备方法，其特征在于，所述S1中，铝合金基体清洗后在90℃的真空干燥箱中干燥10min。
4.根据权利要求1所述的控制液滴定向弹跳的取向性表面制备方法，其特征在于，所述S2中，线切割机床的加工参数为：加工电流3A，脉冲宽度22UA，脉冲间隙10μs，功率输出8只，切割速度90mm2/min。
5.根据权利要求1所述的控制液滴定向弹跳的取向性表面制备方法，其特征在于，所述S3中，激光的激光光束入射方向垂直于铝合金基体取向性非对称齿形结构的表面,激光光束在铝合金基体取向性非对称齿形结构的表面进行平行线扫描。
6.根据权利要求5所述的控制液滴定向弹跳的取向性表面制备方法，其特征在于，激光的光斑直径为15μm，脉冲能量为40MW,扫描速度为15mm/s,扫描线间距为20μm。
7.根据权利要求1所述的控制液滴定向弹跳的取向性表面制备方法，其特征在于，所述S4中，铝合金基体清洗后在90℃的真空干燥箱中干燥10min。
8.根据权利要求1所述的控制液滴定向弹跳的取向性表面制备方法，其特征在于，所述S5中，将铝合金基体放入1H,1H,2H,2H-全氟癸基三乙氧基硅烷溶液进行低表面能改性。
9.根据权利要求8所述的控制液滴定向弹跳的取向性表面制备方法，其特征在于，所述1H,1H,2H,2H-全氟癸基三乙氧基硅烷溶液为1H,1H,2H,2H-全氟癸基三乙氧基硅烷与无水乙醇质量比为1:55的混合液。
10.根据权利要求8所述的控制液滴定向弹跳的取向性表面制备方法，其特征在于，浸泡时间为12小时，再取出干燥处理，在真空干燥箱中的温度为70℃，时间为2小时。
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