CN112935571A - 一种防冰功能性结构及其制备方法和应用 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种防冰功能性结构及其制备方法和应用，属于机械表面工程技术领域。本发明提供的防冰功能性结构的制备方法包括以下步骤：在基体的表面制备楔形微结构，在基体的表面形成楔形微结构层；在所述楔形微结构层的表面制备纳米级晶格，在楔形微结构层的表面形成纳米级晶格层；将表面具有所述纳米级晶格结构层的基体进行低表面能处理，在基体的表面形成防冰功能性结构。本发明提供的防冰功能性结构设置有纳米级晶格以及微米级楔形沟槽，能够在方向力的作用下，实现固体表面上液体的有效抗黏附，同时使得固体表面上微小液滴被不断收集，并在液滴自身压差和方向力的作用下被定向运输离开固体表面，从而实现表面防冰。
Description
技术领域
本发明涉及机械表面工程技术领域，尤其涉及一种防冰功能性结构及其制备方法和应用。
背景技术
飞机防冰对于飞行安全至关重要。由于防冰系统要长期运转，而除冰系统只需要周期运转，故防冰系统要耗费更大的能量，因而主要用于重要部件，如发动机和机翼。超疏水表面在延迟表面液滴冻结、降低所结冰层黏附方面有一定优势，这为飞机防冰技术拓展了新的思路。
目前，采用热喷涂锌铝涂层技术是构建超疏水表面的方式之一，具体是用电弧喷涂技术在Q235钢板上喷涂锌铝合金涂层，之后用硬脂酸/乙醇的表面修饰技术在锌铝合金涂层表面构筑一层超疏水膜。但该超疏水表面仅依靠延迟液滴结晶成核来实现防冰，防冰效果差。
发明内容
本发明的目的在于提供一种防冰功能性结构及其制备方法和应用，本发明提供的防冰功能性结构设置有纳米级晶格以及微米级楔形沟槽，不仅可以延迟液滴结晶成核，还能够在方向力的作用下，实现固体表面上液体的有效抗黏附，使得固体表面上微小液滴被不断收集，并在液滴自身压差和方向力的作用下被定向运输离开固体表面，从而实现表面防冰。
为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：
本发明提供了一种防冰功能性结构的制备方法，包括以下步骤：
在基体的表面制备楔形微结构，在基体的表面形成楔形微结构层；所述楔形微结构层由阵列分布的楔形微结构形成，所述楔形微结构包括多个串联的楔形沟槽，串联的相邻两个楔形沟槽中，沿水流方向，一个楔形沟槽的宽端与另一个楔形沟槽的窄端通过过渡圆弧连接；
在所述楔形微结构层的表面制备阵列分布的纳米级晶格，在楔形微结构层的表面形成纳米级晶格层；
将表面具有所述纳米级晶格结构层的基体进行低表面能处理，在基体的表面形成防冰功能性结构。
优选地，每个所述楔形沟槽的楔角独立地为0.5°～4°，深度独立地为1～110μm，长度独立地为0.1～50mm，沟槽宽度独立地为1μm～0.5mm。
优选地，所述过渡圆弧的半径为0.1～1mm。
优选地，所述楔形微结构的阵列周期为2μm～6mm。
优选地，在基体的表面制备所述楔形微结构的方法包括激光液相加工法；所述激光液相加工法在浓度为0.4～2wt％的氟化液中进行，所述基体的待加工表面距离氟化液液面0.5～5mm；所述激光液相加工法的激光操作条件包括：皮秒激光，激光功率为5～30W，脉宽为75fs，重复频率为1000Hz，扫描间距为0.01～0.02mm。
优选地，所述纳米级晶格的径向尺寸为10～500nm，所述纳米级晶格层的厚度为1～2μm。
优选地，在所述楔形微结构层的表面制备纳米级晶格的方法包括湿法刻蚀法，所述湿法刻蚀法所用刻蚀液为浓度为1～4mol/L的盐酸。
优选地，所述低表面能处理所用处理液为浓度为0.1～2wt％的氟化液。
本发明提供了上述技术方案所述制备方法制备得到的防冰功能性结构，包括楔形微结构层和设置在所述楔形微结构层表面的纳米级晶格层，且所述纳米级晶格层经低表面能处理；所述楔形微结构层由阵列分布的楔形微结构形成，所述楔形微结构包括多个串联的楔形沟槽，串联的相邻两个楔形沟槽中，沿水流方向，一个楔形沟槽的宽端与另一个楔形沟槽的窄端通过过渡圆弧连接；所述纳米级晶格层由阵列分布的纳米级晶格形成。
本发明提供了上述技术方案所述防冰功能性结构在飞机防冰中的应用。
本发明提供了一种防冰功能性结构的制备方法，包括以下步骤：在基体的表面制备楔形微结构，在基体的表面形成楔形微结构层；所述楔形微结构层由阵列分布的楔形微结构形成，所述楔形微结构包括多个串联的楔形沟槽，串联的相邻两个楔形沟槽中，沿水流方向，一个楔形沟槽的宽端与另一个楔形沟槽的窄端通过过渡圆弧连接；在所述楔形微结构层的表面制备阵列分布的纳米级晶格，在楔形微结构层的表面形成纳米级晶格层；将表面具有所述纳米级晶格结构层的基体进行低表面能处理，在基体的表面形成防冰功能性结构。
本发明提供的防冰功能性结构设置有纳米级晶格以及微米级楔形沟槽，不仅可以延迟液滴结晶成核，还能够在方向力的作用下，实现固体表面上液体的有效抗黏附，使得固体表面上微小液滴被不断收集，并在液滴自身压差和方向力的作用下被运输离开固体表面，从而实现表面防冰。具体的，在本发明中，纳米级晶格层的存在使得固体表面呈现出超疏水性，且滚动角极低，从而使得微小液滴难以通过固体表面浸润到内部，从而减少固体表面液体的黏附。同时，楔形微结构中楔形沟槽通过过渡圆弧串联连接，楔形沟槽的侧壁可以引发边缘效应，使得边缘处具有较高的空气流速，这有利于增加液滴的生长速度。在小液滴生长、汇聚到一定直径后，液滴会与楔形沟槽的两侧壁接触产生三相接触线，在三相接触线处由于楔形沟槽的存在使得液滴呈现一定的半径梯度，导致沿着楔形沟槽方向(从窄端到宽端的方向)产生拉普拉斯压差梯度，同时，在垂直于楔形沟槽方向上由于沟槽侧壁的存在导致一定的能量壁垒，液滴会在自身的压差梯度以及空气的吹动下沿着楔型沟槽运输并离开固体表面，进而大大减少液滴在固体表面上的残留，使得固体表面不易结冰，达到防冰的效果。而且通过进行低表面能处理，可以进一步改善疏液效果，从而增强表面防冰效果。本发明提供的防冰功能性结构在延迟固体表面液滴冻结、降低所结冰层黏附方面有一定优势，这为飞机防冰技术拓展了新的思路。
进一步地，本发明通过调节楔形沟槽的尺寸参数，有利于促进微小液滴的收集和输送，可主动调控表面液体状态，减少液体的黏附，从而实现防冰。
附图说明
图1为本发明提供的功能性表面中2个串联楔形沟槽以及单个楔形沟槽的示意图；
图2为本发明提供的防冰功能性结构防冰的原理示意图；
图3为本发明制备防冰功能性结构的流程图。
具体实施方式
本发明提供了一种防冰功能性结构的制备方法，包括以下步骤：
在基体的表面制备楔形微结构，在基体的表面形成楔形微结构层；所述楔形微结构层由阵列分布的楔形微结构形成，所述楔形微结构包括多个串联的楔形沟槽，串联的相邻两个楔形沟槽中，沿水流方向，一个楔形沟槽的宽端与另一个楔形沟槽的窄端通过过渡圆弧连接；
在所述楔形微结构层的表面制备阵列分布的纳米级晶格，在楔形微结构层的表面形成纳米级晶格层；
将表面具有所述纳米级晶格结构层的基体进行低表面能处理，在基体的表面形成防冰功能性结构。
本发明在基体的表面制备楔形微结构，在基体的表面形成楔形微结构层；所述楔形微结构层由阵列分布的楔形微结构形成，所述楔形微结构包括多个串联的楔形沟槽，串联的相邻两个楔形沟槽中，沿水流方向，一个楔形沟槽的宽端与另一个楔形沟槽的窄端通过过渡圆弧连接。本发明对所述基体的具体形状没有特殊限定，任意有除冰需要的基体均可。在本发明中，所述基体的材质优选为合金，所述合金优选为铝合金或钛合金；本发明对所述合金的具体牌号没有特殊限定，在本发明的实施例中，具体以铝合金2524作为基体进行处理。
图1为本发明提供的功能性表面中2个串联楔形沟槽以及单个楔形沟槽的示意图，图1中的(a)为2个串联楔形沟槽的示意图，(b)为单个楔形沟槽的示意图。下面结合图1对本发明提供的功能性表面中水下超亲油楔形区域进行说明。在本发明中，单个所述楔形沟槽的楔角优选为0.5°～4°，更优选为0.8°～2°，进一步优选为1°～1.5°，所述楔形沟槽的楔角具体是指楔形的两个腰形成的夹角；楔形沟槽的深度优选为1～110μm，更优选为50～100μm；长度优选为0.1～50mm，更优选为1～15mm；沟槽宽度优选为1μm～0.5mm，更优选为0.1～0.5mm，所述沟槽宽度具体是指楔形沟槽的窄端的长度。在本发明中，所述过渡圆弧的半径优选为0.1～1mm，更优选为0.2～0.8mm，进一步优选为0.4～0.6mm。在本发明中，所述楔形微结构的阵列周期优选为2μm～6mm，更优选为1～5mm。
在本发明中，在基体的表面制备所述楔形微结构的方法优选包括激光液相加工法。在本发明中，所述激光液相加工法优选在浓度为0.4～2wt％的氟化液(记为第一氟化液)环境中进行，具体是将基底浸没于所述第一氟化液中，且所述基体的待加工表面优选距离第一氟化液液面0.5～5mm，更优选为1～3mm。在本发明中，所述第一氟化液的溶质优选包括氟硅烷F1060(CFH2CH2-Si(OC2H5)3)、三氟甲基硅烷或含氟丙烯酸酯共聚物，更优选为氟硅烷F1060；溶剂优选包括醇类溶剂或甲苯，所述醇类溶剂优选包括无水乙醇或乙二醇；所述第一氟化液的浓度优选为0.8～1.5wt％。在本发明中，所述激光液相加工法的激光操作条件优选包括：皮秒激光，激光波长为532nm，激光功率为5～30W，脉宽为75fs，重复频率为1000Hz，扫描间距为0.01～0.02mm；所述激光功率进一步优选为15W。
在本发明中，采用激光液相加工法在基体的表面制备所述楔形微结构后，优选将所得基体从第一氟化液中取出，利用氮气吹干后进行加热处理，以充分去除基体表面的甲苯，冷却后得到表面具有楔形微结构层的基体。在本发明中，所述氮气吹干采用的氮气优选为高纯氮气；所述加热处理的温度优选为145～155℃，更优选为150℃，加热处理的时间优选为40～50min，更优选为45min；所述冷却优选为自然冷却至室温，在本发明的实施例中，室温具体是指25℃。
在基体的表面形成所述楔形微结构层后，本发明在所述楔形微结构层的表面制备阵列分布的纳米级晶格，在楔形微结构层的表面形成纳米级晶格层。在本发明中，所述纳米级晶格的径向尺寸优选为10～500nm，更优选为100～200nm；所述纳米级晶格层的厚度优选为1～20μm，更优选为1～5μm。
在本发明中，在所述楔形微结构层的表面制备纳米级晶格的方法优选包括湿法刻蚀法。在本发明中，所述湿法刻蚀法所用刻蚀液优选为浓度为2～4mol/L的盐酸，具体是将表面具有楔形微结构层的基体浸没于所述刻蚀液中，进行刻蚀。在本发明中，所述盐酸的浓度优选为3mol/L；所述刻蚀优选在室温条件下进行，所述刻蚀的时间优选为50～70min，更优选为60min。
在本发明中，采用湿法刻蚀法在楔形微结构层的表面制备纳米级晶格后，优选将所得基体从刻蚀液中取出，之后依次采用碳酸氢钠水溶液浸泡洗涤、乙醇超声洗涤和丙酮超声洗涤，干燥后得到表面具有纳米晶格结构层的基体(即所述基体的表面具有楔形微结构层，所述楔形微结构层的表面具有纳米晶格结构层)。在本发明中，所述碳酸氢钠水溶液的浓度优选为0.4～2mol/L，更优选为0.5mol/L；所述浸泡洗涤的时间优选为50～70s，更优选为60s；本发明通过采用碳酸氢钠水溶液去除基体表面的刻蚀液。在本发明中，所述乙醇超声洗涤和丙酮超声洗涤的时间独立地优选为5～15min，更优选为10min；本发明通过乙醇超声洗涤和丙酮超声洗涤进一步去除基体表面杂质。在本发明中，所述干燥优选在氮气气氛中进行，所述干燥的时间优选为5min。
在楔形微结构层的表面形成所述纳米级晶格层后，本发明将表面具有所述纳米级晶格结构层的基体进行低表面能处理，在基体的表面形成防冰功能性结构。在本发明中，所述低表面能处理所用处理液优选为浓度为0.1～2wt％的氟化液(记为第二氟化液)，更优选为0.5～0.8wt％，具体是将表面具有所述纳米级晶格结构层的基体浸没于所述第二氟化液中，进行低表面能处理。在本发明中，所述低表面能处理优选在室温条件下进行，所述低表面能处理的时间优选为25～35min，更优选为30min。
所述低表面能处理后，本发明优选将所得基体从第二氟化液中取出，采用丙酮对所得基体进行清洗，干燥后得到具有防冰功能性结构的基体。在本发明中，所述干燥的温度优选为140～160℃，更优选为150℃；时间优选为40～60min，更优选为50min。
本发明提供了上述技术方案所述制备方法制备得到的防冰功能性结构包括楔形微结构层和设置在所述楔形微结构层表面的纳米级晶格层，且所述纳米级晶格层经低表面能处理；所述楔形微结构层由阵列分布的楔形微结构形成，所述楔形微结构包括多个串联的楔形沟槽，串联的相邻两个楔形沟槽中，沿水流方向，一个楔形沟槽的宽端与另一个楔形沟槽的窄端通过过渡圆弧连接；所述纳米级晶格层由阵列分布的纳米级晶格形成。
本发明提供了上述技术方案所述防冰功能性结构在飞机防冰中的应用。在本发明中，具体是通过加工纳米级晶格以及微米级楔形沟槽，能够在方向力的作用下，实现固体表面上液体的有效抗黏附，使得固体表面上微小液滴被不断收集，并在液滴自身压差和方向力的作用下被定向运输离开固体表面，从而实现表面防冰。
图2为本发明提供的防冰功能性结构防冰的原理示意图，在本发明中，楔形微结构中楔形沟槽通过过渡圆弧串联连接，楔形沟槽的侧壁可以引发边缘效应，使得边缘处具有较高的空气流速，这有利于增加液滴的生长速度。在小液滴生长、汇聚到一定直径后，液滴会与楔形沟槽的两侧壁接触产生三相接触线，在三相接触线处由于楔形沟槽的存在使得液滴呈现一定的半径梯度，导致沿着楔形沟槽方向(从窄端到宽端的方向)产生拉普拉斯压差梯度，同时，沿着楔形沟槽和垂直于楔形沟槽方向上由于沟槽侧壁的存在导致一定的能量壁垒，液滴会在自身的压差梯度以及空气的吹动下沿着楔型沟槽运输并离开固体表面，进而大大减少液滴在固体表面上的残留，使得固体表面不易结冰，达到防冰的效果。
下面将结合本发明中的实施例，对本发明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。
实施例1
按照图3所示流程图制备功能性表面，包括以下步骤：
以氟硅烷F1060(CFH2CH2-Si(OC2H5)3)为溶质、甲苯为溶剂，配制质量分数为1.5％的氟化液(记为第一氟化液)和质量分数为0.2％的氟化液(记为第二氟化液)；
以航空用铝合金2524为基体，将所述基体浸没于所述第一氟化液中，并且使所述第一氟化液没过基体上表面1mm，采用激光液相加工法在所述基体表面扫描加工出楔形微结构，在基体的表面形成楔形微结构层；将所得基体从第一氟化液中取出，利用高纯氮气吹干后在150℃的保温炉中保温加热45min，以充分去除基体表面的甲苯，然后自然降至室温(25℃)，得到表面具有楔形微结构层的基体；其中，所述激光液相加工法的操作条件包括：皮秒激光，激光波长为532nm，激光功率为15W，脉宽为75fs，重复频率为1000Hz，扫描间距为0.01mm；所述楔形微结构层由阵列分布的楔形微结构形成，所述楔形微结构包括多个串联的楔形沟槽，串联的相邻两个楔形沟槽中，一个楔形沟槽的宽端与另一个楔形沟槽的窄端通过过渡圆弧连接，具体的，所述楔形沟槽的楔角为1°，深度为100μm，长度为15mm，沟槽宽度为0.5mm，过渡圆弧的半径为0.4mm，楔形微结构的阵列周期为5mm；
将所述表面具有楔形微结构层的基体浸没于浓度为3mol/L的盐酸中，室温条件下刻蚀1h，在基体的表面得到纳米晶格结构；刻蚀后将所得基体从盐酸中取出，在浓度为0.5mol/L的碳酸氢钠水溶液中浸没洗涤1min，以清洗去除基体表面的盐酸，之后依次利用乙醇和丙酮对基体进行超声清洗，各超声清洗10min，最后在氮气气氛中干燥5min，得到表面具有楔形微结构层和纳米晶格结构层的基体；其中，所述纳米级晶格层由阵列分布的纳米级晶格形成，所述纳米级晶格的径向尺寸为100nm，所述纳米级晶格层的厚度为1μm；
在室温条件下，将所述表面具有楔形微结构和纳米晶格结构的基体在第二氟化液中浸泡30min，之后采用丙酮对所得基体进行清洗，于150℃条件下干燥50min，在基体的表面形成防冰功能性结构。
以实施例1制备的防冰功能性结构作为试样，进行定向液滴喷射实验以测试其疏水性能，具体是通过对试样表面同一位置处进行较小体积液滴的不断喷射，来观察试样能否保持使液滴脱离的性能；其中，测试过程中温度为-10℃，测试用平台每次旋转15°，每次在试样表面同一位置处的喷射量为1.5μL，每间隔54.26ms喷射一次，喷射50次。测试过程中可以观察到，即使喷射方向偏离轨道，但是液滴仍然能被限制在楔形沟槽中运动，后续液滴不断地将前端液滴推离试样表面，使得试样表面整体液滴运输效率很高。随着喷射的进行，所喷射液体大部分脱离试样表面，仅有小部分留存。根据计算可得该试样的偏离距离为0.52mm，液滴留存率为2.7％。说明试样具有极好的疏水性，能够提供很好的液滴运输效率。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种防冰功能性结构的制备方法，包括以下步骤：
在基体的表面制备楔形微结构，在基体的表面形成楔形微结构层；所述楔形微结构层由阵列分布的楔形微结构形成，所述楔形微结构包括多个串联的楔形沟槽，串联的相邻两个楔形沟槽中，沿水流方向，一个楔形沟槽的宽端与另一个楔形沟槽的窄端通过过渡圆弧连接；
在所述楔形微结构层的表面制备阵列分布的纳米级晶格，在楔形微结构层的表面形成纳米级晶格层；
将表面具有所述纳米级晶格结构层的基体进行低表面能处理，在基体的表面形成防冰功能性结构。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，每个所述楔形沟槽的楔角独立地为0.5°～4°，深度独立地为1～110μm，长度独立地为0.1～50mm，沟槽宽度独立地为1μm～0.5mm。
3.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述过渡圆弧的半径为0.1～1mm。
4.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述楔形微结构的阵列周期为2μm～6mm。
5.根据权利要求1～4任一项所述的制备方法，其特征在于，在基体的表面制备所述楔形微结构的方法包括激光液相加工法；所述激光液相加工法在浓度为0.4～2wt％的氟化液中进行，所述基体的待加工表面距离氟化液液面0.5～5mm；所述激光液相加工法的激光操作条件包括：皮秒激光，激光功率为5～30W，脉宽为75fs，重复频率为1000Hz，扫描间距为0.01～0.02mm。
6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述纳米级晶格的径向尺寸为10～500nm，所述纳米级晶格层的厚度为1～2μm。
7.根据权利要求1或6所述的制备方法，其特征在于，在所述楔形微结构层的表面制备纳米级晶格的方法包括湿法刻蚀法，所述湿法刻蚀法所用刻蚀液为浓度为1～4mol/L的盐酸。
8.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述低表面能处理所用处理液为浓度为0.1～2wt％的氟化液。
9.权利要求1～8任一项所述制备方法制备得到的防冰功能性结构，包括楔形微结构层和设置在所述楔形微结构层表面的纳米级晶格层，且所述纳米级晶格层经低表面能处理；所述楔形微结构层由阵列分布的楔形微结构形成，所述楔形微结构包括多个串联的楔形沟槽，串联的相邻两个楔形沟槽中，沿水流方向，一个楔形沟槽的宽端与另一个楔形沟槽的窄端通过过渡圆弧连接；所述纳米级晶格层由阵列分布的纳米级晶格形成。
10.权利要求9所述防冰功能性结构在飞机防冰中的应用。
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