一种疏冰抑霜表面及其制备方法

1.本发明涉及飞行器推进系统技术领域，具体是一种疏冰抑霜表面及其制备方法。背景技术：2.预冷器是预冷型组合循环发动机中的重要组成部件，一般设置在进气道与压气机之间。在预冷型组合循环发动机进行高超声速飞行的过程中，预冷器通过降低进气道中的来流温度，从而提高压气机压缩比，实现空天飞行器一级入轨、二级入轨的宽速域飞行需求。3.在追求预冷型组合循环发动机动力性能的同时，预冷器微通道换热管的低温状态也带来了微通道表面的结冰结霜问题，这成为制约预冷型组合循环发动机技术发展的关键难题。传统的防冰防霜方法一般采用引入冷凝气体、喷注醇类物质等进行主动除冰除霜手段，这些手段虽直接有效但需要消耗外部能源，给飞行器带来新的能量负担，因此急需寻求一种新型防冰防霜方式。4.近年来，国内外学者提出通过利用疏水表面的特殊浸润性能(即接触角大、接触角滞后小，液滴与表面接触面积小)来实现延缓液滴冻结、降低冰的粘附力等效能的被动防冰防霜方案。其中，具有微纳结构的疏水表面因具有更好的疏水性能而受到广泛关注，这种疏水表面结构源自于自然界中最具代表性的荷叶疏水现象，通过电子扫描镜下发现，荷叶表面呈现出规则的微纳结构，正是这种微纳结构和表面蜡质层共同作用使得荷叶具有优良的疏水、自清洁、低粘附性能。现有技术中在硅表面上通过掩膜刻蚀技术加工直径12μm，边缘距30μm，高度50μm的周期性阵列圆柱，并用黑硅颗粒修饰，形成硅表面接触角为156°的微纳二级结构，将微纳二级结构用于液滴冻结实验，可有效将空白硅表面的静止液滴冻结时间从300s延缓至2000s，由此可见，使用微纳结构疏水性能来实现被动防冰防霜的方式具有可观的应用前景。然而，现有的具有疏水性能的表面要应用于预冷型组合循环发动机进气道中还存在较大困难，其原因在于发动机进气道来流气温最高可达上千摄氏度，而目前的疏水表面制备大多以硅表面、铜表面或铝表面为基底材料，均不适用于高温工况。技术实现要素：5.针对上述现有技术中的不足，本发明提供一种疏冰抑霜表面及其制备方法，用于解决预冷型组合循环发动机中高温高速来流工况下的预冷器微通道结冰结霜难题。6.为实现上述目的，本发明提供一种疏冰抑霜表面，包括高温合金材质的基底，所述基底的表面上呈阵列结构分布有若干一级微米结构，所述一级微米结构为凸柱或一级沉孔，所述一级微米结构的宽度为10-30μm，所述一级微米结构的高度或深度为10-80μm，相邻两个所述一级微米结构之间的间距为10-60μm。7.在其中一个实施例中，当所述一级微米结构为凸柱时，所述疏冰抑霜表面还包括二级微米结构；8.所述二级微米结构为设在每一所述一级微米结构顶部的二级沉孔，所述二级沉孔的宽度为5-15μm，所述二级沉孔的深度为10-40μm。9.在其中一个实施例中，还包括三级纳米结构，所述三级纳米结构为沉积在所述疏冰抑霜表面的金属纳米颗粒。10.在其中一个实施例中，所述一级微米结构呈矩形阵列或平行四边形阵列或正六边形阵列结构分布在所述基底的表面上。11.为实现上述目的，本发明还提供一种疏冰抑霜表面的制备方法，包括如下步骤：12.步骤1，设计一级微米结构的特征参数：宽度为a，高度或深度为h，间距为b；13.步骤2，对基底的表面进行抛光或镜面处理，获得精加工表面，对精加工表面进行超声清洗并烘干；14.步骤3，预设激光光束宽度l、激光扫描间隔δd、激光扫描时长δt，其中，δd＝a+b，l《b；15.步骤4，考虑高温合金材质的基底硬度过高，激光一次扫描无法达到预设激光光束宽度l，因此引入硬度修正系数得到实际激光扫描次数且一次激光扫描后激光扫描器向旁边移动l/fhb距离，完成第一阶段的激光加工，得到一级微米结构雏形，其中，hb为基底材料的布氏硬度，表示向上取整，当一级微米结构为凸柱时x＝b，当一级微米结构为一级沉孔时x＝a；16.步骤5，对已完成第一阶段激光加工基底表面进行超声清洗并烘干，测量已加工表面的现有一级微米结构雏形的高度或深度为h′，根据目标高度或深度为h计算剩余激光加工时长为完成第二阶段的激光加工，得到一级微米结构；17.步骤6，将已完成第二阶段激光加工基底表面进行超声清洗并烘干，获得具有一级微米结构的疏冰抑霜表面。18.在其中一个实施例中，所述一级微米结构呈矩形阵列或平行四边形阵列或正六边形阵列结构分布在所述基底的表面上；19.对于矩形阵列分布的一级微米结构，激光扫描为成90度角沿矩形的边长运动；20.对于平行四边形阵列分布的一级微米结构，激光扫描为成60度角沿四边形的边长运动；21.对于正六边形阵列分布的一级微米结构，激光扫描为成120度角沿六边形的边长运动。22.在其中一个实施例中，当所述一级微米结构为棱柱或圆柱时，所述方法还包括：23.步骤7，在一级微米结构的顶部激光加工出更小尺寸的二级沉孔，并对加工完成后的基底表面进行超声清洗并烘干，得到具有微-微结构的疏冰抑霜表面。24.在其中一个实施例中，该方法还包括：25.步骤8，制作金属纳米颗粒均匀混合溶液，将具有一级微米结构的疏冰抑霜表面或具有微-微结构的疏冰抑霜表面置于溶液中，并通以小电流密度，使得金属纳米颗粒基底的表面沉积，得到具有微-纳结构或微-微-纳结构的疏冰抑霜表面。26.本发明提供的一种疏冰抑霜表面及其制备方法，具有如下有益技术效果：27.1、本发明采用激光加工技术及纳米颗粒沉积技术对高温合金表面进行加工，可实现高温合金表面一级微米结构、微-微结构、微-纳结构和微-微-纳结构疏水表面制备，可实现预冷型组合循环发动机中高温来流工况下运用微纳结构提高疏水性能，从而制备得到高温合金疏冰抑霜表面，该疏冰抑霜表面结构易于加工，具有良好的稳定性和力学性能；28.2、本发明采用矩形、四边形、六边形的阵列排布方式，采用凸柱形貌及孔状微结构形貌，并设计不同阵列微结构尺寸，实现高温合金表面疏冰抑霜性能。附图说明29.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中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示出的结构获得其他的附图。30.图1为本发明实施例中疏冰抑霜表面上一级微米结构在第一种实施方式下的局部俯视图；31.图2为本发明实施例中疏冰抑霜表面上一级微米结构在第一种实施方式下的局部正视图；32.图3为本发明实施例中疏冰抑霜表面上一级微米结构在第二种实施方式下的局部俯视图；33.图4为本发明实施例中疏冰抑霜表面上一级微米结构在第二种实施方式下的局部正视图；34.图5为本发明实施例中疏冰抑霜表面上一级微米结构在第三种实施方式下的局部俯视图；35.图6为本发明实施例中疏冰抑霜表面上一级微米结构在第三种实施方式下的局部正视图；36.图7为本发明实施例中疏冰抑霜表面在一级微米结构为第一种实施方式时具有二级微米结构的局部俯视图；37.图8为本发明实施例中疏冰抑霜表面在一级微米结构为第一种实施方式时具有二级微米结构的局部正视图；38.图9为本发明实施例中疏冰抑霜表面在一级微米结构为第二种实施方式时具有二级微米结构的局部俯视图；39.图10为本发明实施例中疏冰抑霜表面在一级微米结构为第二种实施方式时具有二级微米结构的局部正视图；40.图11为本发明实施例中疏冰抑霜表面在具有一级沉孔与三级纳米结构时的局部正视图；41.图12为本发明实施例中疏冰抑霜表面在具有一级沉孔、二级沉孔与三级纳米结构时的局部正视图；42.图13为本发明实施例中一级微米结构呈矩形阵列分布的示意图；43.图14为本发明实施例中一级微米结构呈平行四边形阵列分布的示意图；44.图15为本发明实施例中一级微米结构呈正六边形阵列分布的示意图。45.附图标号：基底10、一级微米结构20、棱柱201、圆柱202、一级沉孔203、二级微米结构30、三级纳米结构40。46.本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。具体实施方式47.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。48.需要说明，本发明实施例中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。49.另外，在本发明中如涉及“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。50.在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“连接”、“固定”等应做广义理解，例如，“固定”可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接，还可以是物理连接或无线通信连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。51.另外，本发明各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。52.本实施例公开了一种疏冰抑霜表面，包括高温合金材质的，且基底10的表面上呈阵列结构分布有若干一级微米结构20，一级微米结构20为凸柱或一级沉孔203，一级微米结构20的宽度为10-30μm，一级微米结构20的高度或深度为10-80μm，相邻两个一级微米结构20之间的间距为10-60μm。其中，基底10由高温合金材质制成。高温合金是以铁、镍、钴为原料，能在900℃以上的高温及一定应力作用下长期工作的一类金属材料，具有优异的高温强度、良好的抗氧化和抗热腐蚀性能，是预冷型组合发动机换热器微通道的主要选材。53.在具体实施过程中，一级微米结构20具有三种实施方式，分别为：54.参考图1-2为一级微米结构20的第一种实施方式，即一级微米结构20为棱柱201，棱柱201的柱宽a设置为10-30μm，柱间距b设置为20-60μm，柱高h设置为20-80μm；55.参考图3-4为一级微米结构20的第二种实施方式，即一级微米结构20为圆柱202，圆柱202的直径d设置为10-30μm，柱间距b设置为20-60μm，柱高h设置为20-80μm；56.参考图5-6为一级微米结构20的第三种实施方式，即一级微米结构20为一级沉孔203，一级沉孔203的孔径d设置为10-30μm，孔间距s设置为10-20μm，孔深h设置为10-60μm。57.作为优选地实施方式，参考图7-10，当一级微米结构20为凸柱(即上述棱柱201或圆柱202)时，疏冰抑霜表面还包括二级微米结构30。具体地，二级微米结构30为设在每一一级微米结构20顶部的二级沉孔，二级沉孔的孔径宽度d′为5-15μm，二级沉孔的孔深h′为10-40μm。58.进一步优选地，参考图11-12，当基底10上具有一级沉孔或二级沉孔时，本实施例中的疏冰抑霜表面还包括三级纳米结构40，三级纳米结构40为沉积在疏冰抑霜表面的金属纳米颗粒。59.基于上述疏冰抑霜表面，本实施例还公开了一种疏冰抑霜表面的制备方法，包括如下步骤：60.步骤1，设计一级微米结构20的特征参数：柱宽或孔径宽度为a(a即为上述图1-6中的a或d)，高度或深度为h(h即为上述图1-6中的h)，间距为b(b即为上述图1-6中的b或s)；61.步骤2，对基底10的表面进行抛光或镜面处理，获得精加工表面，对精加工表面进行超声清洗并烘干；62.步骤3，预设激光光束宽度l、激光扫描间隔δd、激光扫描时长δt，其中，δd＝a+b，l《b；63.步骤4，考虑高温合金材质的基底10硬度过高，激光一次扫描无法达到预设激光光束宽度l，因此引入硬度修正系数得到实际激光扫描次数且一次激光扫描后激光扫描器向旁边移动l/fhb距离，完成第一阶段的激光加工，得到一级微米结构20雏形，其中，hb为基底10材料的布氏硬度，表示向上取整，当一级微米结构为凸柱时x＝b，当一级微米结构为一级沉孔时x＝a；64.步骤5，对已完成第一阶段激光加工基底10表面进行超声清洗并烘干，测量已加工表面的现有一级微米结构20雏形的高度或深度为h′，根据目标高度或深度为h计算基底10上每一个待烧蚀点的剩余激光加工时长为完成第二阶段的激光加工，得到一级微米结构20；65.步骤6，将已完成第二阶段激光加工基底10表面进行超声清洗并烘干，获得具有一级微米结构20的疏冰抑霜表面。66.考虑到高温合金硬度过高，激光加工时长过长会使得高温合金表面温度升高，对性能造成影响。为减少激光加工时长，获得品质更高的一级微米疏水表面，作为优选地实施方式，可以在激光加工之前先对基底10进行腐蚀预处理，其过程为：67.在上述步骤2进行抛光或镜面处理获得精加工表面后，在基底10表面均匀涂抹光刻胶，随后在光刻胶上设置掩膜板，并掩膜板上绘制需加工的柱状或孔状微米图案；68.对光刻胶进行光刻和显影，使得在基底10表面形成掩膜图案，随后在掩膜图案上涂抹金属腐蚀溶液，被掩膜覆盖部分不发生腐蚀，未被掩膜覆盖部分发生腐蚀，形成初步的高温合金微结构表面，清洗金属腐蚀溶液，去除光刻胶，进行超声波清洗表面，完成基底表面的腐蚀预处理，最后进入上述步骤3。69.本实施例中，制备基板10高温合金采用fe(铁)-ni(镍)-cr(铬)基固溶强化型变形高温合金，成分比例：fe(17.0％～20.0％)，cr(20.5％～23.0％)，ni(42.35％～53.1％)，金属腐蚀为盐酸硫酸铜腐蚀溶液(盐酸占比：30％～40％，硫酸铜占比：20％～30％，蒸馏水占比：30％～50％)。70.参考图13-15，本实施例中的一级微米结构20呈矩形阵列或平行四边形阵列或正六边形阵列结构分布在基底10的表面上。具体地：对于矩形阵列分布的一级微米结构20，激光扫描为成90度角沿矩形的边长运动；对于平行四边形阵列分布的一级微米结构20，激光扫描为成60度角沿四边形的边长运动；对于正六边形阵列分布的一级微米结构20，激光扫描为成120度角沿六边形的边长运动。71.作为优选地实施方式，当一级微米结构20为棱柱201或圆柱202时，还可以在一级微米结构20的基础上加工出图7-10所示的二级微米结构30，具体为：在一级微米结构20的顶部激光加工出更小尺寸的二级沉孔，并对加工完成后的基底10表面进行超声清洗并烘干，得到具有微-微结构的疏冰抑霜表面。72.作为优选地实施方式，当基底10上具有一级沉孔203或二级沉孔时，还可以在一级微米结构20的基础上加工出图11-12所示的二级微米结构30，具体为：制作金属纳米颗粒均匀混合溶液，将具有一级微米结构20的疏冰抑霜表面或具有微-微结构的疏冰抑霜表面置于溶液中，并通以小电流密度，使得金属纳米颗粒基底10的表面沉积，得到具有微-纳结构或微-微-纳结构的疏冰抑霜表面。73.需要注意的是，本实施例中的疏冰抑霜表面上的疏水结构分为：一级微米结构20、微-微结构、微-纳结构与微-微-纳结构四种，其中，微-微结构、微-纳结构与微-微-纳结构相比于一级微米结构20具有更优的疏水性能，但其结构稳定性及力学性能不如一级微米结构20，因此在具体实施过程中具体选用哪种实施方式可根据实际需求确定。74.以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是在本发明的发明构思下，利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本发明的专利保护范围内。