CN115260990B - 依靠低界面韧性涂层的低能耗除冰材料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及除冰材料技术领域，公开了一种依靠低界面韧性涂层的低能耗除冰材料，包括自上而下依次组成的低界面韧性涂层、基底材料层和压电片。并公开了所述低能耗除冰材料的制备方法。相比于传统单一的主动除冰或被动防冰技术，本发明将主动除冰与被动防冰结合起来，依靠低界面韧性涂层在大面积除冰情况下的优势，通过耦合压电，借助于压电片在表面产生的冲击波，进一步降低除冰外力，使冰层仅需在微小的力下就可从基底上去除。此外，本发明材料的压电除冰能耗更低，满足低能耗的要求，并且除冰效率更高，可以用于多种复杂环境下的飞机表面，对大面积高效、快速除冰的技术发展具有重要意义。
Description
技术领域
本发明涉及除冰材料技术领域，具体涉及一种依靠低界面韧性涂层的低能耗除冰材料及其制备方法。
背景技术
飞机在穿过过冷云层时，过冷水滴撞击表面部件会发生结冰现象，这是造成飞行事故的主要原因之一。飞机上的关键部位结冰会使飞机气动外形破坏，阻力升高，影响飞机的安全性和操纵性，严重威胁飞行安全，容易引发飞行事故，甚至产生坠机危险。
目前，常见的防/除冰方法分为主动除冰和被动防冰两种，其中主动除冰包括机械除冰、化学除冰、电热除冰及压电除冰等。被动防冰主要是指超疏水涂层，超疏水表面由于其具有较低的表面能和表面微纳结构，可以延长液滴结冰时间，另一方面，超疏水表面的微纳结构中的孔隙中吸收大量空气，有效降低液滴与基底表面接触面积，因此大幅降低冰层在超疏水表面的粘附力。机械除冰主要是指利用机械方式将冰层除去，包括电脉冲技术利用振动去除冰层；化学除冰主要是指通过向冰层喷洒防冰液，降低其凝固点去除冰层；电热除冰主要是指通过电加热等方式将冰层除去，包括通过电阻或发热元器件产生热量，使其表面温度达到冰点以上破坏冰层。
压电除冰方法压是压电元件通过逆压电效应，即在电场作用下产生振动，主要是指通过压电元件驱动结构产生振动，利用振动状态下的表面剪切力和冲击力去除附着冰层，是一种新型的机械式防除冰方法。根据冰与铝板结构的压电力学模型，可将冰层分为两部分，与铝板接触的极薄一层为剪切层，剪切层内仅传递剪应力。此外，铝板与冰层在压电片振动弯曲变形下将沿厚度方向产生线性分布的应力。当冰层所受到的力大于其粘附强度时，冰层就容易去除。
压电除冰因其优点已广泛用于结冰部件除冰，申请号202110378472.0的中国专利申请公开了“一种具有除冰功能的翼型前缘及翼型前缘的制备方法”，以电热除冰和压电共振除冰为主，具有较好的除冰效果，但并未涉及主动除冰与被动防冰相结合的方式，且除冰能耗较高，不利于大面积除冰。在大面积除冰方面，虽然低界面韧性涂层有着低的固-冰界面断裂韧性，能诱发裂纹的萌生与扩展，除冰效果好，但仍需要较大的除冰外力使冰层从基层脱落，且产生裂纹不易。
发明内容
针对现有技术存在的上述不足，本发明的目的在于提供一种依靠低界面韧性涂层的低能耗除冰方法。
为实现以上目的，本发明采用如下技术方案：
一种依靠低界面韧性涂层的低能耗除冰材料，包括：自上而下依次组成的低界面韧性涂层、基底材料层和压电片。
优选的，所述低界面韧性涂层为多孔PDMS、PDMA或PTFE等任一低界面韧性材料。
优选的，所述基底材料层为铝合金材料基板。
优选的，所述压电片的排列方式分为一字型排列方式或正方形排列方式等。
优选的，所述压电片的间距为2cm、4cm或6cm。
优选的，所述压电片的尺寸为30*15*1mm或50*20*2mm。
在本发明的一种优选实施方式中，一种依靠低界面韧性涂层的低能耗除冰材料的制备方法，包括如下步骤：
步骤1，将基底材料进行预处理：对基底材料进行清洗，然后干燥备用；
步骤2，将低界面韧性涂层聚合物前驱体与固化剂的混合液与致孔剂混合，搅拌，然后滴涂于步骤1)预处理后的基底材料上固化；
步骤3，喷涂聚合物前驱体、固化剂和四氢呋喃的混合液对步骤2)固化后的涂层进行封孔处理，然后置于无水乙醇和蒸馏水的混合溶液中去除致孔剂，干燥，固化，即得到覆有低界面韧性涂层的基底材料材料；
步骤4，将压电片粘结于覆有低界面韧性涂层的基底材料层底部。
优选的，步骤2中，聚合物前驱体与固化剂的质量比为10:1。
优选的，步骤2中，所述致孔剂由质量比3:1的Span 80和Tween 80配制而成。
优选的，步骤3中，所述喷涂压力为2MPa，所述固化的温度为100℃，所述喷涂处理为利用喷枪，以2cm/s的恒定速度，从左往右为一个循环，经过四次循环，喷涂均匀。
优选的，步骤1中，采用去离子水和无水乙醇对基底材料进行超声清洗，然后在氮气气氛下干燥备用。
优选的，步骤2中，超声搅拌时间为10min。
优选的，步骤3中，无水乙醇与蒸馏水混合溶液每间隔6h进行更换，更换三次。
进一步地，使用本发明依靠低界面韧性涂层的低能耗除冰材料时，优选调节电压的大小为10V、20V、30V等。
本发明所提供的低界面韧性涂层，是采用前述的任意一种低界面韧性涂层材料制备的，即属于低界面韧性涂层材料就满足要求。
本发明所涉及的低界面韧性涂层，不仅具有低的表面能和超疏水特性，使液滴在外力条件下无法在表面长时间停留，而且能显著延长过冷液滴结冰时间，不易在表面凝结冰层。另一方面，低界面韧性涂层具有低的固-冰界面断裂韧性，根据研究，低固-冰界面断裂韧性是降低大面积除冰外力的决定性因素，且在一定范围内，当结冰面积增大时，除冰外力并不随之增加。因此在大面积条件下，低界面韧性涂层具有显著的除冰优势。
对于压电振动除冰而言，是利用粘贴在基底材料层上的压电片的振动，激励整个结构产生振动，对于基底材料层而言，振动的大小和效果会受到压电片的排布方式、间距和尺寸的影响，振动的效果不同，随之带来的除冰效果也不同。因此，为了达到更好的除冰效果，本发明设计了合理的压电片布局以及尺寸。此外，利用压电振动除冰，需要电源的输入，为了满足低能耗的要求，需要调节合理的电压大小。
在小面积结冰条件下，冰层剪切强度控制断裂，表现为整个界面的整体直接断裂；在大面积结冰条件下时，固-冰界面断裂韧性控制断裂，表现为界面裂纹的扩展断裂。此外，存在一个临界粘结长度，当界面长度大于临界粘结长度时，去除冰层所需的力是恒定的，无论界面多大，即此时除冰外力不随临界结冰面积的增加而增大。因此，本发明将低界面韧性涂层材料与压电除冰技术结合起来，可以在较低的除冰外力下，实现大面积快速、高效除冰的目的。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
(1)本发明依靠低界面韧性涂层耦合压电的低能耗除冰方法，实现了主动式压电除冰与超疏水被动防冰一体化成型，并且利用低界面韧性涂层在大面积除冰方面的巨大优势，具有操作简单、除冰外力小、低能耗、大面积快速、高效除冰等特点。
(2)本发明根据低界面韧性涂层具有较低的固-冰界面断裂韧性，能诱发裂纹的萌生与扩展，在大面积结冰情况下，除冰外力不随结冰面积的变大而增加，使覆冰能在较小外力作用下从基底材料表面脱落的特点，依靠低界面韧性涂层在大面积除冰情况下的优势，结合压电除冰，通过耦合压电，借助于压电片在表面产生的冲击波，进一步降低除冰外力，使冰层仅需在微小的力下就可从基底上去除，具有更明显的优势。
(3)相比于电热除冰和仅有压电除冰，表面覆有低界面韧性涂层材料的压电除冰能耗更低，满足低能耗的要求，并且除冰效率更高。以此制备的基于耦合压电和低界面韧性涂层材料可以用于多种复杂环境下的飞机表面，对大面积高效、快速除冰的技术发展具有重要意义。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1是本发明所涉及的一种依靠低界面韧性涂层的低能耗除冰方法的工艺流程示意图；
图2为本发明所述的压电片位于基底下的排列方式；其中，(1)为压电片一字型排列方式，(2)为压电片正方形排列方式；
图3为本发明所涉及的依靠低界面韧性涂层的低能耗除冰方法的成品示意图；1为低界面韧性涂层、2为基底材料层、3为压电片；
图4为本发明所述的压电片位于基底下按正方形排列时的不同间距；其中(a)为压电片间距2cm，(b)为压电片间距4cm；
图5为本发明所述的自制的冰粘附实验装置的示意图：11为试验台、12为滑轨、13为测力计、14为覆有低界面韧性涂层的铝合金基板、15为冰层、16为夹具。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。
实施例1
一种依靠低界面韧性涂层的低能耗除冰材料，见图3所示；包括：自上而下依次组成的低界面韧性涂层1、基底材料层2和压电片3；
所述低界面韧性涂层1为多孔PDMS；
所述基底材料层2为铝合金材料基板；
所述压电片3位于基底材料层下方，其中压电片的排列方式为一字型排列，参见图2(1)。
所述依靠低界面韧性涂层的低能耗除冰的制备方法，见图1所示，包括如下步骤：
步骤1，选用6061铝合金为基底材料，通过切割裁剪为20*10*0.2cm的样品，将样品表面预处理，采用去离子水和无水乙醇进行超声清洗，然后在氮气气氛下干燥备用。
步骤2，采用美国道康宁公司生产的Sylgard 184为实验原料，先称取PDMS预聚物和固化剂(10:1)，搅拌。其次，将6g的Span 80和2g的Tween 80混合制备致孔剂。将致孔剂与上述PDMS和固化剂混合液按3:2的重量比配制为混合乳液，超声搅拌，标记为混合前体。然后滴涂于步骤1)预处理后的基底材料上，在室温下固化。
步骤3，然后称取3g PDMS预聚物和0.3g固化剂，添加到25mL四氢呋喃中，磁力搅拌。通过小型喷枪以恒定的速度从左往右移动，喷涂于含致孔剂的PDMS涂层表面。置于烘箱内3h得到固化涂层。
量取无水乙醇与蒸馏水各100mL配制为混合溶液。将上述固化样品置于无水乙醇与蒸馏水混合溶液中去除致孔剂，每间隔6h进行更换，更换三次。最后将样品置于烘箱中干燥，得到覆有多孔PDMS低界面韧性涂层的基底材料。
步骤4，选用尺寸为30*15*1mm的压电片，将压电片通过胶水粘结于覆有多孔PDMS低界面韧性涂层的基底材料层底部，采用一字型排列方式，并通过压电片上的两根导线连接到小型电源上通电，产生振动。
步骤5，根据振动的大小和产生的除冰效果，通过测量基于耦合压电和低界面韧性涂层时除冰外力的大小，调节压电片的布局和尺寸，使其达到最优除冰效果，即为最优除冰模态；本实施例中，调节压电片的间距为2cm，通过自制的冰粘附实验装置测量除去冰层所需要的外力，即除冰外力，实验装置参见图5，11为试验台，夹具16固定覆有低界面韧性涂层的铝合金基板14，由滑轨12向前移动带动测力计13推动冰层15，并记录下冰层断裂时的应力。在相同的实验条件下，单独使用表面涂覆低界面韧性涂层材料的除冰外力是83N，单独使用压电片振动除冰的除冰外力是145N，本发明的除冰外力是39N，可以看出本发明的除冰效果明显。
步骤6，选择最优除冰模态，调节电源的电压大小，测量不同电压下的除冰外力，选择使冰层能除去的最小除冰外力时的电压。本实施例中，调节小型电源的电压为10V，进一步观测除冰效果，并测量除冰外力。此时，在相同的实验条件下，与电热除冰消耗能耗相比，能耗降低了百分之六十，与仅依赖于压电除冰消耗能耗相比，能耗降低了百分之四十四。
实施例2
一种依靠低界面韧性涂层的低能耗除冰材料，见图3所示；包括：自上而下依次为低界面韧性涂层1、基底材料层2和压电片3；
所述低界面韧性涂层1为多孔PDMS；
所述基底材料层2为铝合金材料基板；
所述压电片3位于基底材料层下方，其中压电片的排列方式为正方形排列，参见图2(2)。
所述依靠低界面韧性涂层的低能耗除冰的制备方法，见图1所示，包括如下步骤：
步骤1，选用6061铝合金为基底材料，通过切割裁剪为20*10*0.2cm的样品，将样品表面预处理，采用去离子水和无水乙醇进行超声清洗，然后在氮气气氛下干燥备用。
步骤2，采用美国道康宁公司生产的Sylgard 184为实验原料，称取PDMS预聚物和固化剂(10:1)，搅拌。其次，将6g的Span 80和2g的Tween 80混合制备致孔剂。将致孔剂与上述PDMS和固化剂混合液按3:2的重量比配制为混合乳液，超声搅拌，标记为混合前体。然后滴涂于步骤1)预处理后的基底材料上，在室温下固化。
步骤3，然后称取3g PDMS预聚物和0.3g固化剂，添加到25mL四氢呋喃中，磁力搅拌。通过小型喷枪以恒定的速度从左往右移动，喷涂于含致孔剂的PDMS涂层表面。置于烘箱内3h得到固化涂层。
量取无水乙醇与蒸馏水各100mL配制为混合溶液。将上述固化样品置于无水乙醇与蒸馏水混合溶液中去除致孔剂，每间隔6h进行更换，更换三次。最后将样品置于烘箱中干燥，得到覆有多孔PDMS低界面韧性涂层的基底材料。
步骤4，选用尺寸为30*15*1mm的压电片，将压电片通过胶水粘结于覆有多孔PDMS低界面韧性涂层的基底材料层底部，采用正方形排列方式，并通过压电片上的两根导线连接到小型电源上通电，产生振动。
步骤5，根据振动的大小和产生的除冰效果，通过测量基于耦合压电和低界面韧性涂层时除冰外力的大小，调节压电片的布局和尺寸，使其达到最优除冰效果，即为最优除冰模态；本实施例中，调节压电片的间距为2cm，参见图4(a)，通过自制的冰粘附实验装置测量除去冰层所需要的外力，即除冰外力，实验装置参见图5，11为试验台，夹具16固定覆有低界面韧性涂层的铝合金基板14，由滑轨12向前移动带动测力计13推动冰层15，并记录下冰层断裂时的应力。在相同的实验条件下，单独使用表面涂覆低界面韧性涂层材料的除冰外力是83N，单独使用压电片振动除冰的除冰外力是145N，本发明的除冰外力是35N。
步骤6，选择最优除冰模态，调节电源的电压大小，测量不同电压下的除冰外力，选择使冰层能除去的最小除冰外力时的电压。本实施例中，调节小型电源的电压为10V，进一步观测除冰效果，并测量除冰外力。此时，在相同的实验条件下，与电热除冰消耗能耗相比，能耗降低了百分之六十六，与仅依赖于压电除冰消耗能耗相比，能耗降低了百分之四十九。
实施例3
一种依靠低界面韧性涂层的低能耗除冰材料，见图3所示；包括：自上而下依次为低界面韧性涂层1、基底材料层2和压电片3；
所述低界面韧性涂层1为PTFE；
所述基底材料层2为铝合金材料基板；
所述压电片3位于基底材料层下方，其中压电片的排列方式为正方形排列，参见图2(2)。
所述依靠低界面韧性涂层的低能耗除冰的制备方法，见图1所示，包括如下步骤：
步骤1，选用6061铝合金为基材，通过切割裁剪为20*10*0.2cm的样品，将样品表面预处理，采用去离子水和无水乙醇进行超声清洗，然后在氮气气氛下干燥备用。
步骤2，在300mL去离子水中加入1.2g PDDA和2.193g NaCl，搅拌，然后将铝合金材料基板在PDDA和NaCl混合溶液中浸泡10min，空气干燥，使其表面带正电荷。
步骤3，将处理后的铝合金材料基板放入稀释的PTFE分散体中，在室温下水平放置15min，组装PTFE纳米颗粒，然后在60℃烘箱中干燥5min。上述过程重复4次，然后在马弗炉中煅烧，温度保持在纳米PTFE的熔融温度以上，以提高纳米PTFE与基体的附着力。最后，将样品在炉中冷却至室温，得到覆有PTFE低界面韧性涂层的基底材料。
步骤4，选用尺寸为50*20*2mm的压电片，将压电片通过胶水粘结于覆有低界面韧性涂层的基底材料层底部，采用正方形排列方式，并通过压电片上的两根导线连接到小型电源上通电，产生振动。
步骤5，根据振动的大小和产生的除冰效果，通过测量基于耦合压电和低界面韧性涂层时除冰外力的大小，调节压电片的布局和尺寸，使其达到最优除冰效果，即为最优除冰模态；本实施例中，调节压电片的间距为4cm，参见图4(b)，通过自制的冰粘附实验装置测量除去冰层所需要的外力，即除冰外力，实验装置参见图5，11为试验台，夹具16固定覆有低界面韧性涂层的铝合金基板14，由滑轨12向前移动带动测力计13推动冰层15，并记录下冰层断裂时的应力。在相同的实验条件下，单独使用表面涂覆低界面韧性涂层材料的除冰外力是83N，单独使用压电片振动除冰的除冰外力是145N，本发明的除冰外力是44N。
步骤6，选择最优除冰模态，调节电源的电压大小，测量不同电压下的除冰外力，选择使冰层能除去的最小除冰外力时的电压。本实施例中，调节小型电源的电压为10V，进一步观测除冰效果，并测量除冰外力。此时，与电热除冰消耗能耗相比，能耗降低了百分之五十七，与仅依赖于压电除冰消耗能耗相比，能耗降低了百分之四十一。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。
Claims (6)
1.一种依靠低界面韧性涂层的低能耗除冰材料，其特征在于，具体为：自上而下依次组成的低界面韧性涂层、基底材料层和压电片；所述压电片的排列方式分为一字型排列方式或正方形排列方式；所述压电片的间距为2cm或4cm；
所述低界面韧性涂层为多孔PDMS或PTFE任一低界面韧性材料；
所述压电片的尺寸为30*15*1mm或50*20*2mm。
2.根据权利要求1所述依靠低界面韧性涂层的低能耗除冰材料，其特征在于，所述基底材料层为铝合金材料基板。
3.如权利要求1～2任一项所述依靠低界面韧性涂层的低能耗除冰材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1，将基底材料进行预处理：对基底材料进行清洗，然后干燥备用；
步骤2，将低界面韧性涂层聚合物前驱体与固化剂的混合液与致孔剂混合，搅拌，然后滴涂于步骤1)预处理后的基底材料上固化；
步骤3，喷涂聚合物前驱体、固化剂和四氢呋喃的混合液对步骤2)固化后的涂层进行封孔处理，然后置于无水乙醇和蒸馏水的混合溶液中去除致孔剂，干燥，固化，即得到覆有低界面韧性涂层的基底材料材料；
步骤4，将压电片粘结于覆有低界面韧性涂层的基底材料层底部。
4.根据权利要求3所述依靠低界面韧性涂层的低能耗除冰材料的制备方法，其特征在于，步骤2中，聚合物前驱体与固化剂的质量比为10:1。
5.根据权利要求3所述依靠低界面韧性涂层的低能耗除冰材料的制备方法，其特征在于，步骤2中，所述致孔剂由质量比3:1的Span 80和Tween 80配制而成。
6.根据权利要求3所述依靠低界面韧性涂层的低能耗除冰材料的制备方法，其特征在于，步骤3中，所述喷涂压力为2MPa，所述固化的温度为100℃，所述喷涂处理为利用喷枪，以2cm/s的恒定速度，从左往右为一个循环，经过四次循环，喷涂均匀。
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