一种除冰异质表面结构及其制备方法与流程

本发明涉及飞机防除冰装置，尤其是涉及一种除冰异质表面结构及其制备方法。

背景技术：

1、飞机结冰被广泛认为是航空飞行的重大危害之一。当飞行器穿越积冰气象条件的云层时，云层中的过冷水滴撞击在飞行器的迎风面，会导致飞行器迎风面部件(机翼、风挡玻璃、尾翼、发动机唇口、空速管等)表面结冰，尤其是驻点附近结冰更严重，而飞行器关键部件结冰会严重影响飞行器的气动性能，从而导致飞行器安全性能急速下降。比如机翼和尾翼前缘结冰，会不同程度改变飞行器的气动外形，违背飞行器设计准则，使升力迅速减小，阻力迅速增大，严重影响飞行器的操纵性能和稳定性能。因此，如何构建高效的防除冰策略已成为飞机飞行过程中一个亟待解决的问题。

2、目前主要的防除冰策略包括被动防冰方法和主动防除冰方法。主动除冰方式一般为物理法（机械除冰或电加热防除冰）和化学法（喷洒盐水或乙二醇等抗结冰剂），虽然在一定程度上可以解决积冰问题，但在能源、人力、环境方面需付出较高代价。此外，主动技术往往因环境和能源限制、表面结构复杂等因素难以实现，因此，无需能耗的防除冰技术（即被动除冰技术）引起了研究人员的广泛关注。被动除冰技术主要是基于材料表面特性来实现的，主要包括两类：一类是通过抑制成核，延缓表面霜冻或结冰，以超疏水表面为典型代表，但其表面微纳结构极易被破坏，难以长久使用，且只能一定程度抑制结冰，无法彻底防冰；另一类技术称之为疏冰表面，通过降低冰与表面间的粘附强度，使冰层在外力（风、自身重力等力场）的作用下容易脱离表面。

3、申请人在实现本发明的过程中发现，现有的防除冰技术中，存在机械除冰能耗高的问题。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供一种除冰异质表面结构及其制备方法，来解决现有技术中存在的上述技术问题，主要包括以下两个方面：

2、本发明第一方面提供了一种除冰异质表面结构，包括基体，所述基体上设置有工作区，所述工作区上设有疏冰层，所述疏冰层内嵌设有多个柱体，所述柱体的固定端与基体连接，柱体的自由端穿过疏冰层，柱体的弹性模量大于疏冰层的弹性模量。

3、进一步地，所述疏冰层为低表面能改性高分子材料。

4、进一步地，所述低表面能改性的高分子材料的原料包括质量比为10：0.5~2：0.04~0.08的组分a、组分b和组分c，所述组分a为聚二甲基硅氧烷，所述组分b为正硅酸乙酯或1h,1h,2h,2h-全氟癸基三甲氧基硅烷，所述组分c为二月桂酸二丁基锡。

5、进一步地，所述柱体的自由端端面与疏冰层的外表面处于同一平面；

6、或，所述柱体的自由端端面突出于疏冰层的外表面；

7、或，所述柱体的自由端端面内凹于疏冰层的外表面。

8、进一步地，所述柱体为圆柱、棱柱、圆锥中的一者或至少两者的组合。

9、进一步地，所述柱体呈阵列排布，柱体的直径和柱间距的比值为1：1~8；

10、和/或，所述柱体的直径为0.3~0.8mm；

11、和/或，所述柱体的直径和柱体的高度的比值为1：1~3。

12、进一步地，所述柱体为金属或环氧树脂。

13、进一步地，所述柱体为金属，柱体的直径和柱间距的比值为1：2~4；

14、或，所述柱体为环氧树脂，柱体的直径和柱间距的比值为1：1~3。

15、本发明第二方面提供了一种上述除冰异质表面结构的制备方法，包括以下步骤：

16、步骤s100，获取工作区上设有多个柱体的基体；

17、步骤s200，在基体的工作区制作疏冰层。

18、进一步地，在进行步骤s200之前，先将质量比为10：0.5~2：0.04~0.08的组分a、组分b和组分c搅拌混合均匀，获得用于制作疏冰层的胶状液体，所述组分a为聚二甲基硅氧烷，所述组分b为正硅酸乙酯或1h,1h,2h,2h-全氟癸基三甲氧基硅烷，所述组分c为二月桂酸二丁基锡；在步骤s200中，将胶状液体倒入工作区内，烘干，得到除冰异质表面结构。

19、本发明相对于现有技术至少具有如下技术效果：

20、本发明通过在相对弹性模量较低的疏冰层中嵌设多个相对弹性模量较高的柱体，让疏冰层的外表面整体呈现为较低的表观弹性模量，利于冰在较小的剪切力下滑移脱粘；同时基于柱体和疏冰层之间弹性模量的差异，可实现在较低剪切力下快速将冰体从除冰异质表面结构上脱落，以此降低机械除冰的能耗，提高机械除冰效率；此外，相对弹性模量较高的柱体能够为相对弹性模量较低的疏冰层提供坚固的架构框架，起到一定的增强效果，还能避免在制备疏冰层的过程中，在疏冰层内部引入空穴产生内部缺陷的问题。

技术特征：

1.一种除冰异质表面结构，其特征在于，包括基体，所述基体上设置有工作区，所述工作区上设有疏冰层，所述疏冰层内嵌设有多个柱体，所述柱体的固定端与基体连接，柱体的自由端穿过疏冰层，柱体的弹性模量大于疏冰层的弹性模量。

2.如权利要求1所述的除冰异质表面结构，其特征在于，所述疏冰层为低表面能改性的高分子材料。

3.如权利要求2所述的除冰异质表面结构，其特征在于，所述低表面能改性的高分子材料的原料包括质量比为10：0.5~2：0.04~0.08的组分a、组分b和组分c，所述组分a为聚二甲基硅氧烷，所述组分b为正硅酸乙酯或1h,1h,2h,2h-全氟癸基三甲氧基硅烷，所述组分c为二月桂酸二丁基锡。

4.如权利要求1所述的除冰异质表面结构，其特征在于，所述柱体的自由端端面与疏冰层的外表面处于同一平面；

5.如权利要求1所述的除冰异质表面结构，其特征在于，所述柱体为圆柱、棱柱、圆锥中的一者或至少两者的组合。

6.如权利要求1~5任意一项所述的除冰异质表面结构，其特征在于，所述柱体呈阵列排布，柱体的直径和柱间距的比值为1：1~8；

7.如权利要求6所述的除冰异质表面结构，其特征在于，所述柱体为金属或环氧树脂。

8.如权利要求7所述的除冰异质表面结构，其特征在于，所述柱体为金属，柱体的直径和柱间距的比值为1：2~4；

9.一种如权利要求1~8任意一项所述除冰异质表面结构的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

10.如权利要求9所述的制备方法，其特征在于，在进行步骤s200之前，先将质量比为10：0.5~2：0.04~0.08的组分a、组分b和组分c搅拌混合均匀，获得用于制作疏冰层的胶状液体，所述组分a为聚二甲基硅氧烷，所述组分b为正硅酸乙酯或1h,1h,2h,2h-全氟癸基三甲氧基硅烷，所述组分c为二月桂酸二丁基锡；在步骤s200中，将胶状液体倒入工作区内，烘干，得到除冰异质表面结构。

技术总结本发明涉及飞机防除冰装置技术领域，尤其是涉及一种除冰异质表面结构及其制备方法，包括基体，所述基体上设置有工作区，所述工作区上设有疏冰层，所述疏冰层内嵌设有多个柱体，所述柱体的固定端与基体连接，柱体的自由端穿过疏冰层，柱体的弹性模量大于疏冰层的弹性模量。本发明通过在相对弹性模量较低的疏冰层中嵌设多个相对弹性模量较高的柱体，让疏冰层的外表面整体呈现为较低的表观弹性模量，利于冰在较小的剪切力下滑移脱粘；同时基于柱体和疏冰层之间弹性模量的差异，可实现在较低剪切力下快速将冰体从除冰异质表面结构上脱落，以此降低机械除冰的能耗，提高机械除冰效率。技术研发人员：秦梦婕,李科,易贤,王强,刘蕊迪,吴彬瑞,何秀,陈宁立,石雅楠受保护的技术使用者：中国空气动力研究与发展中心低速空气动力研究所技术研发日：技术公布日：2024/6/26