CN116039931A - 一种兼容隐身和防覆冰功能的柔性贴片及制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种兼容隐身和防覆冰功能的柔性贴片及制备方法。该柔性贴片包括基体、吸波涂层、绝缘层以及电加热涂层，所述吸波涂层设置在所述基体上，所述电加热涂层设置在所述吸波涂层上，且所述电加热涂层与所述吸波涂层之间设置有绝缘层，所述电加热涂层为TiN膜层，并连接导线进行通电加热。通过采用TiN膜层作为电加热涂层，其具有透波能力强、且电阻可调的特点，可替代目前通用的添加纳米导电填料的电加热涂层，解决了电热涂层对电磁波的反射问题，可布置于吸波涂层之上，减少了布置于吸波涂层之下所带来的电加热涂层加热功耗损失。

Description

一种兼容隐身和防覆冰功能的柔性贴片及制备方法

技术领域

本发明涉及表面工程技术领域，特别是涉及一种兼容隐身和防覆冰功能的柔性贴片及制备方法。

背景技术

飞机结冰通常发生在机翼前缘、水平尾翼、发动机进气道口等凹凸部位或风挡玻璃、仪器传感头以及直升机螺旋浆等部位，并会对飞行的性能造成极大的损害。例如机翼结冰将破坏飞机的空气动力学性能，增加飞机阻力和重力，而尾翼结冰还将影响飞机的操纵性，这些问题将会使飞机失去平衡、起飞艰难，甚至会导致空难。现役飞机多采用复杂的防覆冰系统，例如：(1)通过电阻丝等进行加热；(2)通过将零件做成空心，然后通入热空气；(3)气动除冰；(4)电排斥。其中应用最为广泛的就是热力防覆冰系统，其特点为：(1)加热除冰属于能耗防覆冰方式，防覆冰能耗大，单机能耗甚至可达百级千瓦；(2)加热防覆冰方式及其它常用防覆冰方法通常都需要额外防覆冰系统，这种系统耗能大、系统复杂、系统可靠性要求高、重量及体积较大，制约飞机的减重。

近年来，随着材料及界面科学的飞速发展，新的防覆冰方法不断涌现，超疏水涂层与电热涂层复合防覆冰就是其中最具潜力的一种方法，与传统电阻丝加热防覆冰方式相比，该方法具有成本低、耗能小、易于实施等特点，与热空气防覆冰方式相比，此种方式不需要将零件做成空心的，减少了设计难度，从以上两点来看，它是一种理想的防覆冰方法，具有极大的潜在应用价值，尤其针对当前气热/电热防覆冰方式很难满足隐身飞机、无人机低热节能要求的现状下，发展超疏水涂层与电热涂层复合防覆冰已受到国内外同行的极大关注。广泛应用的雷达波吸波涂层是含有铁磁性吸波剂的涂料，这类涂料是目前频带相对较宽、吸波性能较好的一种，其原理是通过涂层中均匀分布的铁磁性颗粒与电磁波发生相互作用，将电磁能转化成热能，但单纯就雷达吸波涂层来讲，目前吸波带宽还较窄，吸波效果也还有待改善。

目前超疏水涂层与电热复合涂层复合防覆冰方法中的电热涂层，对雷达波具有反射作用，如果将电热涂层直接置于隐身涂层上方，虽然会保持良好的低功耗防覆冰效果，但会由于电热涂层对雷达波的反射作用，而严重影响吸波涂层的吸收效果；如果将电热涂层置于隐身涂层下方，则不但会影响电热涂层的热能传输，导致耗能增加，而且会由于电热涂层的加热作用而影响吸波剂的电磁性能，导致吸波涂层吸波效果变差，这就导致了超疏水涂层与电热涂层复合防覆冰方法与雷达隐身涂层不兼容，即高效热能传输与雷达波吸收的矛盾。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明实施例提供了一种兼容隐身和防覆冰功能的柔性贴片及制备方法，解决了隐身和防覆冰功能不兼容的技术问题。

(二)技术方案

第一方面，本发明的实施例提出了一种兼容隐身和防覆冰功能的柔性贴片，包括：基体、吸波涂层、绝缘层以及电加热涂层，所述吸波涂层设置在所述基体上，所述电加热涂层设置在所述吸波涂层上，且所述电加热涂层与所述吸波涂层之间设置有绝缘层，所述电加热涂层为TiN膜层，并连接导线进行通电加热。

进一步地，所述吸波涂层与所述基体之间设置有涂层底漆，所述涂层底漆采用聚氨酯树脂。

进一步地，所述吸波涂层包括中低频吸波涂层和高频吸波涂层，所述中低频吸波涂层采用片状羰基铁和聚氨酯材料配制，且吸波剂含量为25％～35％，所述高频吸波涂层采用球形铁氧体和聚氨酯材料配制，且吸波剂含量为15％～20％；所述中低频吸波涂层与所述高频吸波涂层相互贴合，所述中低频吸波涂层为底层，所述高频吸波涂层为面层。

进一步地，所述吸波涂层上设置有蛾眼减反结构，所述蛾眼减反结构的正六边形内切圆直径为3～4mm，线宽为0.1～0.5mm，深度不低于所述吸波涂层总厚度的80％。

进一步地，所述绝缘层为聚氨酯树脂涂层。

进一步地，所述电加热涂层上设置有疏水涂层，所述疏水涂层采用氟化有机硅树脂。

进一步地，所述疏水涂层上设置有疏水结构，所述疏水结构为微米及亚微米级盲孔和/或微米级顺向沟槽和/或微纳米级条纹结构。

进一步地，所述疏水结构的加工深度不超过所述疏水涂层厚度的2/3。

进一步地，所述TiN膜层的厚度为300～450nm，电阻率为20～100mΩ·cm。

第二方面，提供了一种兼容隐身和防覆冰功能的柔性贴片的制备方法，包括步骤：

对基体的表面喷涂涂层底漆；

对涂层底漆的表面先喷涂中低频吸波涂层，再喷涂高频吸波涂层，形成吸波涂层；

在高频吸波涂层表干后，以及中低频吸波涂层和高频吸波涂层尚未固化之前，采用制作蛾眼减反结构的模具对吸波涂层的表面进行微压印，同时低温加热，使吸波涂层定形，定形后脱模，再进行吸波涂层的固化；

对吸波涂层的表面喷涂绝缘层，通过绝缘层将吸波涂层的表面填平，并形成表面平整光滑的绝缘层；

在绝缘层表干后，对绝缘层的表面两端压入导线，再进行低温固化；

将贴片放入真空室，通过反应磁控溅射沉积TiN薄膜；

对TiN薄膜的表面喷涂疏水涂层，并进行低温固化；

通过飞秒激光扫描疏水涂层的表面，加工出疏水结构。

(三)有益效果

综上，本发明通过采用TiN膜层作为电加热涂层，其具有透波能力强、且电阻可调的特点，可替代目前通用的添加纳米导电填料的电加热涂层(纳米导电填料包括石墨烯、导电炭黑、碳纳米管、纳米石墨粉、纳米金属粉和纳米金属线中的一种或多种)，解决了电热涂层对电磁波的反射问题，可布置于吸波涂层之上，减少了布置于吸波涂层之下所带来的电加热涂层加热功耗损失，并具有如下优点：

1.吸波涂层采用双层设计并复合仿生微结构，底层为含有片状羰基铁的中低频吸波层，面层为含有球形铁氧体的高频吸波层，其表面采用蛾眼减反结构，提高了吸波涂层的吸收效果和频带拓宽；

2.在电加热涂层上设置疏水涂层，并加工出疏水结构，提高了疏水效果；

3.在基体进行多重涂层的复合制成的柔性贴片，可胶粘在飞机任何部位，即确保了防覆冰功能的易实施、低耗能的特点，还实现了雷达波的宽频、高效吸收。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对本发明实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面所描述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的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是一种兼容隐身和防覆冰功能的柔性贴片的结构示意图；

图2是蛾眼减反结构的SEM图；

图3是疏水涂层为微米及亚微米级盲孔的SEM图；

图4是疏水涂层为微米级顺向沟槽的SEM图；

图5是疏水涂层为微纳米级条纹结构的SEM图；

图6是一种兼容隐身和防覆冰功能的柔性贴片与不同形式的吸波涂层的雷达波反射损耗曲线图；

图7是制作蛾眼减反结构的模具的结构示意图；

图中：1、基体；2、涂层底漆；3、吸波涂层；4、蛾眼减反结构；5、绝缘层；6、导线；7、电加热涂层；8、疏水涂层；9、疏水结构。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的实施方式作进一步详细描述。以下实施例的详细描述和附图用于示例性地说明本发明的原理，但不能用来限制本发明的范围，即本发明不限于所描述的实施例，在不脱离本发明的精神的前提下覆盖了零件、部件和连接方式的任何修改、替换和改进。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参照附图并结合实施例来详细说明本申请。

请参考图1，本发明的实施例提出了一种兼容隐身和防覆冰功能的柔性贴片，包括：基体1、吸波涂层3、绝缘层5以及电加热涂层7，所述吸波涂层3设置在所述基体1上，所述基体1可以是柔性的，所述电加热涂层7设置在所述吸波涂层3上，且所述电加热涂层7与所述吸波涂层3之间设置有绝缘层5，所述电加热涂层7为TiN膜层，并连接导线6进行通电加热。通过采用TiN膜层作为电加热涂层7，其具有透波能力强、且电阻可调的特点，可替代目前通用的添加纳米导电填料的电加热涂层7(纳米导电填料包括石墨烯、导电炭黑、碳纳米管、纳米石墨粉、纳米金属粉和纳米金属线中的一种或多种)，解决了电热涂层对电磁波的反射问题，可布置于吸波涂层3之上，减少了布置于吸波涂层3之下所带来的电加热涂层7加热功耗损失。同时在基体1进行多重涂层的复合制成的柔性贴片，可胶粘在飞机任何部位，即确保了防覆冰功能的易实施、低耗能的特点，还实现了雷达波的宽频、高效吸收。

在一些实施例中，所述吸波涂层3与所述基体1之间设置有涂层底漆2，所述涂层底漆2采用聚氨酯树脂，用于增加吸波涂层3与所述基体1的结合强度。

在一些实施例中，所述吸波涂层3包括中低频吸波涂层和高频吸波涂层，所述中低频吸波涂层采用片状羰基铁和聚氨酯材料配制，且吸波剂含量为25％～35％，所述高频吸波涂层采用球形铁氧体和聚氨酯材料配制，且吸波剂含量为15％～20％，使所述吸波涂层3具有良好的吸波性能。

请参考图2，在一些实施例中，所述吸波涂层3上设置有蛾眼减反结构4，所述蛾眼减反结构4的正六边形内切圆直径为3～4mm，线宽为0.1～0.5mm，深度不低于所述吸波涂层3总厚度的80％，利用蛾眼减反结构4产生电磁波衍射及谐振，调节吸波涂层3的阻抗匹配，从而拓展吸波频带和提高吸波效果。

在一些实施例中，所述绝缘层5为聚氨酯树脂涂层，具有良好的绝缘特性，且便于喷涂加工。

在一些实施例中，所述电加热涂层7上设置有疏水涂层8，所述疏水涂层8采用氟化有机硅树脂，具有较好的疏水性。

请参考图3～图5，在一些实施例中，所述疏水涂层8上设置有疏水结构9，所述疏水结构9为微米及亚微米级盲孔和/或微米级顺向沟槽和/或微纳米级条纹结构，可以在电加热涂层7加热时，在表面形成水膜，促进冰层脱落，从而进一步降低除冰功耗。

在一些实施例中，所述疏水结构9的加工深度不超过所述疏水涂层8厚度的2/3，由于超快激光在加工树脂涂层微结构时会诱导出纳米结构，因此氟化有机硅疏水涂层8，在微纳二级结构作用下会具有优异的超疏水功能。

在一些实施例中，所述TiN膜层的厚度为300～450nm，电阻率为20～100mΩ·cm，具有较好的热转化率。

第二方面，提供了一种兼容隐身和防覆冰功能的柔性贴片的制备方法，包括步骤：

1.在柔性基体1表面采用气动式喷枪喷涂聚氨酯树脂(以下喷涂方式均可采用气动式喷枪进行喷涂)，形成涂层底漆2，以增强吸波涂层3结合力；

2.对涂层底漆2的表面先喷涂中低频吸波涂层，再喷涂高频吸波涂层，形成吸波涂层3；

3.在高频吸波涂层表干后，以及中低频吸波涂层和高频吸波涂层尚未固化之前，采用制作蛾眼减反结构4的模具(请参考图7)对吸波涂层3的表面进行微压印，同时低温加热，使吸波涂层3定形，定形后脱模，再进行吸波涂层3的固化；

4.对吸波涂层3的表面喷涂绝缘层5，通过绝缘层5将吸波涂层3的表面填平，并形成表面平整光滑的绝缘层5；

5.在绝缘层5表干后，对绝缘层5的表面两端压入导线6，再进行低温固化；

6.将贴片放入真空室，通过反应磁控溅射沉积TiN薄膜；

7.对TiN薄膜的表面喷涂疏水涂层8，并进行低温固化；

8.通过飞秒激光扫描疏水涂层8的表面，加工出疏水结构9。

实施例1：

1.选用PET薄膜作为柔性基体1，将聚氨酯树脂稀释后，采用气动式喷枪在基体1上均匀喷涂，形成涂层底漆2，厚度为0.1mm；

2.在底漆表干后，选用片状羰基铁吸波剂、聚氨酯树脂和乙酸丁酯稀释剂配制成涂料，其吸波剂含量为30％，采用气动式喷枪均匀喷涂，形成厚度为0.7mm左右的中低频吸波涂层，作为吸波涂层3底层，选用球形铁氧体吸波剂、聚氨酯树脂和乙酸丁酯稀释剂配制成涂料，其吸波剂含量在15％～20％，在底层表干后，再采用气动式喷枪均匀喷涂，形成厚度为0.3mm左右的高频吸波涂层，作为吸波涂层3面层；

3.在吸波涂层3面层表干后，两层吸波涂层3尚未固化之前，采用已加工好的制作蛾眼减反结构4的模具(采用超快激光或精密机加工等方法制造密排正六边形凹坑，其内切圆直径为4mm，线宽0.2mm，坑深1.1mm)，对吸波涂层3进行微压印，同时在60℃下进行加热烘干，促进吸波涂层3定形，然后脱模，再在120℃进行吸波涂层3的固化；

4.采用气动式喷枪，将稀释后的聚氨酯溶液，均匀喷涂到吸波涂层3表面，将其表面正六边形间隙填平，形成平整光滑涂层，作为电热涂层与吸波涂层3之间的绝缘层5；

5.在绝缘层5表干后，在贴片两端压入银导线6，宽度为4mm，然后在120℃下固化；

6.将柔性贴片放入真空室，抽真空到4×10-3Pa，通入氩气，流量为150sccm，开启气体离子源，采用-50V偏压，对其进行5min的等离子体清洗，活化表面，然后关闭偏压，将氩气流量调为100sccm，通入氮气，流量为30sccm，控制真空室内气压在0.9Pa左右，开启Ti磁控溅射靶，功率为100W，进行反应磁控溅射沉积TiN薄膜，沉积20min，使其薄膜厚度约为350nm，电阻率在35mΩ·cm左右；

7.采用正己烷对氟化有机硅树脂进行稀释，形成易喷涂溶液，然后气动式喷枪在柔性贴片上进行均匀喷涂，形成平整光滑的疏水涂层8，涂层厚度0.3mm，在120℃下进行固化；

8.采用飞秒激光扫描疏水涂层8表面，加工微米级盲孔微结构，飞秒激光的脉宽300fs，波长515nm，输出频率200kHz，平均功率14w，通过改变单脉冲能量控制孔径尺寸，通过设定填充间距P控制间距，P＝P1-d(P1为实际间距，d为此能量加工直径)，通过控制加工次数N确定深度，由此设定单脉冲能量0.007mJ，填充间距0.5μm，扫描速度200m/S，

需要明确的是，本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同或相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。本发明并不局限于上文所描述并在图中示出的特定步骤和结构。并且，为了简明起见，这里省略对已知方法技术的详细描述。

以上所述仅为本申请的实施例而已，并不限制于本申请。在不脱离本发明的范围的情况下对于本领域技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的权利要求范围内。

Claims (10)

1.一种兼容隐身和防覆冰功能的柔性贴片，其特征在于，包括：基体、吸波涂层、绝缘层以及电加热涂层，所述吸波涂层设置在所述基体上，所述电加热涂层设置在所述吸波涂层上，且所述电加热涂层与所述吸波涂层之间设置有绝缘层，所述电加热涂层为TiN膜层，并连接导线进行通电加热。

2.根据权利要求1所述的一种兼容隐身和防覆冰功能的柔性贴片，其特征在于，所述吸波涂层与所述基体之间设置有涂层底漆，所述涂层底漆采用聚氨酯树脂。

3.根据权利要求1所述的一种兼容隐身和防覆冰功能的柔性贴片，其特征在于，所述吸波涂层包括中低频吸波涂层和高频吸波涂层，所述中低频吸波涂层采用片状羰基铁和聚氨酯材料配制，且吸波剂含量为25％～35％，所述高频吸波涂层采用球形铁氧体和聚氨酯材料配制，且吸波剂含量为15％～20％；所述中低频吸波涂层与所述高频吸波涂层相互贴合，所述中低频吸波涂层为底层，所述高频吸波涂层为面层。

4.根据权利要求1所述的一种兼容隐身和防覆冰功能的柔性贴片，其特征在于，所述吸波涂层上设置有蛾眼减反结构，所述蛾眼减反结构的正六边形内切圆直径为3～4mm，线宽为0.1～0.5mm，深度不低于所述吸波涂层总厚度的80％。

5.根据权利要求1所述的一种兼容隐身和防覆冰功能的柔性贴片，其特征在于，所述绝缘层为聚氨酯树脂涂层。

6.根据权利要求1所述的一种兼容隐身和防覆冰功能的柔性贴片，其特征在于，所述电加热涂层上设置有疏水涂层，所述疏水涂层采用氟化有机硅树脂。

7.根据权利要求6所述的一种兼容隐身和防覆冰功能的柔性贴片，其特征在于，所述疏水涂层上设置有疏水结构，所述疏水结构为微米及亚微米级盲孔和/或微米级顺向沟槽和/或微纳米级条纹结构。

8.根据权利要求7所述的一种兼容隐身和防覆冰功能的柔性贴片，其特征在于，所述疏水结构的加工深度不超过所述疏水涂层厚度的2/3。

9.根据权利要求1所述的一种兼容隐身和防覆冰功能的柔性贴片，其特征在于，所述TiN膜层的厚度为300～450nm，电阻率为20～100mΩ·cm。

10.一种兼容隐身和防覆冰功能的柔性贴片的制备方法，其特征在于，包括步骤：

对基体的表面喷涂涂层底漆；

对涂层底漆的表面先喷涂中低频吸波涂层，再喷涂高频吸波涂层，形成吸波涂层；

在高频吸波涂层表干后，以及中低频吸波涂层和高频吸波涂层尚未固化之前，采用制作蛾眼减反结构的模具对吸波涂层的表面进行微压印，同时低温加热，使吸波涂层定形，定形后脱模，再进行吸波涂层的固化；

对吸波涂层的表面喷涂绝缘层，通过绝缘层将吸波涂层的表面填平，并形成表面平整光滑的绝缘层；

在绝缘层表干后，对绝缘层的表面两端压入导线，再进行低温固化；

将贴片放入真空室，通过反应磁控溅射沉积TiN薄膜；

对TiN薄膜的表面喷涂疏水涂层，并进行低温固化；

通过飞秒激光扫描疏水涂层的表面，加工出疏水结构。

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