[發(fā)明專利]一種超疏水抗結(jié)冰航空鋁合金表面及制備方法

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• 申請日: 2020-08-04
• 公開（公告）號: CN111846193A
• 公開（公告）日: 2020-10-30
• 發(fā)明（設計）人: 鐘敏霖;張紅軍;潘瑞
• 申請（專利權(quán)）人: 清華大學
• 主分類號: B64C1/12
• 分類號: B64C1/12
• 代理公司: 北京睿智保誠專利代理事務所(普通合伙) 11732
• 代理人: 王燦

一種超低冰粘附力的超疏水抗結(jié)冰航空鋁合金表面，該表面由多級微納結(jié)構(gòu)組成，該微納結(jié)構(gòu)以周期分布在鋁合金基材表面的三維微米錐結(jié)構(gòu)為基礎，在微米錐表面分布有密集生長的納米片和由納米片組成的納米花簇；且在微米錐表面或在微米錐與微米錐之間彌散分布有亞微米球和亞微米花中的一種或兩種。本發(fā)明還公布了該表面的制備方法，由超快激光燒蝕與濕化學法相結(jié)合，再經(jīng)低自由能表面化學修飾而成，可實現(xiàn)大面積高效制備。本發(fā)明的航空鋁合金抗結(jié)冰表面具有極低的冰粘附力，冰與表面之間的粘附強度可低至6kPa，冰在其自身重力作用下或輕微震動下能自行脫落。該表面結(jié)構(gòu)可廣泛應用于航空關(guān)鍵構(gòu)件、船只、地面運輸工具、冰箱和空調(diào)等防冰領域。

技術(shù)領域

本發(fā)明涉及航空功能材料領域，尤其涉及一種超疏水抗結(jié)冰航空鋁合金表面及制備方法。

背景技術(shù)

飛行器機翼表面和某些關(guān)鍵部位在高空中結(jié)冰，會導致危險的氣流狀況，增加阻力，甚至會嚴重影響飛行器的穩(wěn)定性和安全性，造成飛行事故。目前，飛機表面除冰方法主要有熱氣除冰、電加熱除冰和機械除冰法等傳統(tǒng)除冰方法，這些方法雖能在一定程度上解決飛機的結(jié)冰問題，但其復雜的結(jié)構(gòu)和大量的能耗制約著飛機綜合性能的提升，還會造成機翼表面損壞及加速設備老化等影響。近年來，新型防覆冰技術(shù)和防覆冰表面成為國內(nèi)外發(fā)展的重點，其中超疏水微納米結(jié)構(gòu)表面被公認為是最有可能有效解決飛機防除冰問題、且大幅降低除冰系統(tǒng)能耗的可行方法之一。目前為止，已經(jīng)開發(fā)了多種超疏水表面的制備方法，如光刻法、化學刻蝕法、機械方法以及無機、有機物涂層等方法。但這些方法制備的超疏水表面、除冰性能仍有待提升。大量研究結(jié)果表明，在低于冰點的實際環(huán)境中，材料表面很容易結(jié)冰，超疏水材料表面也不例外。某些超疏水表面或許具有一定的延遲結(jié)冰能力，但較難完全避免結(jié)冰行為的發(fā)生。通常情況下，過冷雨滴與溫度低于0℃的超疏水表面接觸時，微小的水滴會在微納米間隙中釘扎、集聚、形成冰核并積累長大，最終形成積冰，導致超疏水表面失去防冰能力。因此，在冰點溫度以下，尤其是在潮濕的環(huán)境下，完全防止超疏水表面結(jié)冰難度很大。與之相比，更可行的方法之一是制備出具有較低冰粘附力的超疏水表面，使冰形成以后極易被去除。理想的低冰粘附力表面是冰得粘附力極低，以至于僅在自身的重量或自然風力的作用冰就可以自行脫落。

專利CN110170747A公開了一種疏水區(qū)與親水區(qū)相耦合的仿生集水防冰表面，實現(xiàn)了一定的抗結(jié)冰效果，但其表面冰粘附強度依然較高，平均粘附強度在100kPa以上，即使最優(yōu)化的表面，冰粘附強度依然高于60kPa，冰無法自行脫落。專利CN107899921A公開了一種防結(jié)冰性能的超疏水鋁表面，在-9℃的條件下表面具有一定延遲結(jié)冰的效果，但未對冰粘附強度進行研究和報道。專利CN107723773A公布了一種鋁合金仿生超疏水防冰表面，在經(jīng)過結(jié)冰-融冰過程后具有疏水性，但是并沒有對表面的冰粘附性能進行報道。

由以上研究現(xiàn)狀可知，雖然對鋁合金超疏水表面已有專利和文獻報道，但目前已報道的鋁合金超疏水表面很少涉及冰粘附力，已報道的超疏水表面冰粘附力仍然較高，難以達到冰自行脫落的效果。

發(fā)明內(nèi)容

有鑒于此，本發(fā)明提供了一種超低冰粘附力的超疏水防冰航空鋁合金表面，該表面由獨特的三維多級微納米結(jié)構(gòu)構(gòu)成，具有極佳的超疏水性和極低的冰粘附力，可實現(xiàn)全面的防除冰效果：一方面，表面的疏水性可使大部分液滴呈現(xiàn)動態(tài)彈跳現(xiàn)象，使其在開始結(jié)冰之前彈離表面，達到“防冰”的目的；另一方面，即使粘附在超疏水表面上的少部分液滴在冰點溫度以下開始結(jié)冰，但由于這些表面與冰之間具有較低的粘附力，因此這些冰可在自身重力作用下輕易自行脫離表面，實現(xiàn)“除冰”的目的，由此實現(xiàn)全面意義上的防除冰。

為實現(xiàn)該目的，本發(fā)明采用如下的技術(shù)方案：

一種超疏水抗結(jié)冰航空鋁合金表面，包括鋁合金基底，其特征在于，所述基底表面設置有呈矩陣排布的微米錐結(jié)構(gòu)，所述微米錐表面分布有密集生長的納米片和由納米片組成的納米花簇；所述微米錐表面或在相鄰微米錐之間彌散分布有亞微米球和亞微米花中的一種或兩種。