一種基於非連續性潤溼性改良的仿生防結冰表面的製作方法

2023-04-30 02:25:22

本實用新型涉及材料表面防除冰技術。

背景技術：

結冰作為一種常見的自然現象，卻給工程領域帶來諸多限制和危害，如航空、交通運輸、電力等不同工程領域。飛機表面結冰影響其空氣動力性能，特別是發動機結冰，嚴重影響飛行安全性。動車底盤懸掛、制動鉗、轉向盤等關鍵零部件結冰，降低乘坐安全性和舒適性，縮短使用壽命。風機葉片、風速儀、風向標等零部件表面結冰，不能正確判斷風向、風速，嚴重影響了風機運行效率，降低風機發電效率，增加風機運轉的故障率。目前針對工程中對於零部件表面的結冰現象有以下幾種解決辦法：一是採取對零件表面積冰採用敲擊、剷除等機械方式除冰，二是採用熱水融冰等加熱方式除去列車底盤積冰，三是通過對飛機表面噴灑乙二醇等化學溶劑除去積冰或延緩表面積水的凍結時間，但是上述除冰方法在使用過程中存在成本高、能耗高以及環境汙染等缺陷。隨著材料科學、仿生科學及製備工藝的不斷發展，各種疏水塗層及抗結冰塗層均可以製備，並可以噴塗在材料表面，如CN102443326A(新型防覆冰塗層及其製備方法)、CN105032731A(一種超疏水塗層與加熱塗層複合的節能防除冰塗層製備方法)均通過表面潤溼特性的改變，具有單一效果作用，但多次使用後防、除冰效果差。

技術實現要素：

本實用新型的目的在於針對現有被動式除冰方法存在能耗高、汙染環境等使用缺陷，提供一種簡單、有效的非連續性潤溼性仿生防結冰表面

一種基於非連續性潤溼性改良的仿生防結冰表面，其特徵在於在材料表面塗覆多種與材料本身潤溼性不同的疏水塗層，從而使材料表面具有非連續性的潤溼特性，並使材料表面不同位置具有不同的抗結冰性能。

本實用新型通過在材料表面塗覆多種不同潤溼特性的疏水塗層，更改了材料表面的連續潤溼性特點，使材料表面的不同區域具有不同的潤溼特性，即延緩了凍結時間，又起到了防止結冰或降低結冰強度的作用。

進一步的技術方案如下：

所述的非連續性潤溼性改良的仿生防除冰表面，其特徵在於：在材料表面塗覆的塗料至少為2種以上，塗料導熱係數小於1W/(m·K)，覆蓋厚度不能超過1mm，每種塗層可以相互疊加，並且最上裸露面積至少大於總面積的20％，並且可在疏水塗層與材料表面之間塗覆一層起到隔熱或疏水作用的基底塗層。

所述材料表面形成的疏水塗層可以為間斷性塗層，即材料表面由疏水塗層間斷性覆蓋。

所述材料表面形成的疏水塗層可在表面呈以下圖形分布：

(1)間隔網格狀；(2)間隔條狀；(3)離散分布點狀；(4)蜂窩狀；(5)由疏水塗層做出隔離區，在隔離區域為另一種或多種疏水塗層分布。

所述表面形成的多種疏水塗層相交邊緣存在塗層疊層現象，進而在塗層厚度方向呈現不規則分布。

本實用新型所述的疏水塗層包括：表面接觸角θ≥120°的聚四氟乙烯顆粒塗料塗層、二氧化鈦疏水塗層、四氧化三鐵納米塗層以及含矽疏水塗層等。

本實用新型通過使材料表面具有非連續性潤溼特性為基礎，利用表面不同疏水區域對過冷水的排斥作用，降低表面凍結水的附著量。同時疏水表面可延緩或降低凍結水在表面的凍結結冰時間，降低冰在表面的粘附強度，並且不同區域的疏水塗層具有不同的抗結冰效果，不同區域發生凍結結冰的時間點不同，破壞了冰與疏水表面之間的凍粘穩定性和連續性，產生接觸缺陷，降低表面的結冰強度，使材料表面形成效果良好的主動型防結冰表面。其工作過程如下：

水在材料表面凝聚結冰時，由於材料表面不同區域具有不同的疏水特性，減小了水分在材料表面的附著量，同時不連續的疏水表面對表面水分結冰具有延緩或抑制作用，並可降低表面結冰強度。在工件表面塗覆的三種不同潤溼特性的疏水塗層改變了工件表面單一的潤溼特性，不僅延緩了工件表面水分的結冰時間，各界面以及各疏水塗層表面水分的凍結過程發生凍結時間不同，而且降低了工件表面的結冰凍結強度。在相同環境溫度下，相對於冰在基體材料表面的附著界面，不同疏水塗層表面附著的水分開始逐漸凍結結冰，冰與疏水塗層的表面形成了非連續的凍結界面，形成了連接缺陷，破壞了凍結界面的穩定性和連續性，更加進一步的降低了冰在材料表面的結冰強度。

通過本實用新型不僅可以延緩工件表面之間的凍結時間，而且可以防止冰在材料表面的凍結形成或降低結冰強度，具有主動性。

本實用新型通過在材料表面塗覆多種不同潤溼特性的疏水塗層，改變材料表面單一的潤溼特性，利用疏水表面對凍結水的排斥作用，延緩冰的凍結時間，破壞冰與材料表面之間的附著穩定性，降低冰在材料表面的粘附強度特性。本實用新型在不破壞本體的基礎上，使材料表面具有主動防結冰特性，實施方便，防結冰效果良好。本實用新型可以廣泛應用在航空飛行器、動車、風機葉片等工程領域中，可極大的降低冰在材料表面的積聚量和後期除冰難度，同時降低了後期的除冰成本，減小結冰現象給工程領域帶來的危害。

附圖說明

圖1為部件表面塗覆的塗層立體示意圖。

圖2為本實用新型的工作狀態示意圖。

圖3為塗層在部件表面呈間隔網格狀分布示意圖。

圖4為塗層在部件表面呈間隔條狀分布示意圖。

圖5為塗層在部件表面呈蜂窩狀分布示意圖。

圖6位塗層在部件表面呈離散分布點狀示意圖。

圖7為塗層在部件表面厚度呈波浪形分布示意圖。

圖中：1、工件表面，2、工件，3、水，4、界面Ⅰ，5、界面Ⅱ，6、界面Ⅲ，7、界面Ⅳ，a、塗層a，b、塗層b，c、塗層c，d、塗層d，8、基底塗層。

具體實施方式

實施例一：

如圖3所示，通過噴塗技術在材料表面均勻塗覆一層塗層基底，並將a(二氧化鈦疏水塗層)、b(聚四氟乙烯顆粒塗層)、c(四氧化三鐵納米塗層)、d(含矽疏水塗層)四種不同疏水特性的塗層沿縱向、橫向方向塗覆在材料表面，使疏水塗層在材料表面呈間隔網格狀分布。基於實際使用要求，可以調節每種塗料在工件表面的塗覆橫向、縱向長度，使材料表面具有多種不同的潤溼特性，在材料表面呈現「井」字狀分布。

工件表面塗覆了不同潤溼特性的疏水特性塗層，不僅減小了材料表面的附著水量，同時部件表面的不同區域具有不同的防結冰和降低結冰強度效果，而且不同疏水塗層表面發生結冰的時間也不同。由於塗層表面水分發生的凍結時間不同，冰與不同塗層之間逐漸形成了非連續、間斷的接觸界面，形成凍粘間隙，破壞了凍粘界面的接觸穩定性和連續性，更加進一步降低結冰強度，使材料表面具有更好的主動性防結冰效果。

實施例二：

如圖5所示，通過噴塗技術在材料表面將a(二氧化鈦疏水塗層)、b(聚四氟乙烯顆粒塗層)、c(四氧化三鐵納米塗層)、d(含矽疏水塗層)四種疏水塗層均勻塗覆在材料表面，並且相鄰區域需要塗覆不同潤溼特性的塗層，分布形式呈現蜂窩狀。根據實際工況中部件的結冰問題，疏水塗層的分布形式可以呈現分布比較密集的蜂窩狀，使單位面積的材料表面，具有更多不同的潤溼種類。部件表面上塗覆不同潤溼特性的疏水塗層可以採用等離子噴塗技術、超音速噴塗技術、納米噴塗技術等噴塗技術，並且依據實際使用需求可以將不同潤溼特性的塗層塗覆不同的厚度，如圖7所示。

顯然，根據本實用新型公開的內容及具體實施例說明,在本領域的其他的技術人員仍能做出其他不同形式的變動，本專利說明書中無法對所有的實施方式一一列舉，但由此衍生出來的顯而易見的變動仍屬於本實用新型的保護範圍之中。