一种自适应防覆冰复合材料及其制备方法和应用

本发明属于防覆冰，具体涉及一种自适应防覆冰复合材料及其制备方法和应用。

背景技术：

1、在军事飞行器领域，特别是隐身飞机通过减小雷达反射截面和降低红外辐射来减少被侦察到的可能性，除结构设计外，往往需要采用吸波材料或者隐身涂层，有效地吸收或者散射雷达波，以减小雷达截面。然而，受冬季低温的影响，在飞机机翼、发动机进气口及仪器传感头等部位会发生结冰，不仅对飞行造成一定干扰，甚至降低吸波涂层的性能。因此，防覆冰材料的研究和创新对确保飞行器正常运行以及保障飞行安全至关重要。通过不断优化防覆冰材料的性能和技术，可以更好地应对恶劣天气条件下的挑战，确保飞机的正常飞行和任务执行效率。目前，防覆冰材料的发展主要包括疏水涂层、抗冻涂层、导热防结冰材料以及耦合光热防冰技术等。这些技术的应用可以有效延长覆冰在飞机表面停留的时间，减小覆冰与表面之间的粘附力，从而提升防冰效果。

2、例如chen等人(pengguang chen,shu tian,hongshuang guo et al.an extremeenvironment-tolerant anti-icing coating[j].chemical engineering science,2022,262,118010.)通过在pdms基质中掺入了氟化两亲共聚物和光热纳米碳纤维，制备了一种可耐受各种极端环境的防冰涂层，该涂层可显着降低冰核温度(<-26℃)，增加结冰延迟时间(～46倍延迟)，降低冰附着强度(～17.7kpa)，具有优异的防冰和节能除冰性能。然而，该涂层因光热产生的高温会削弱红外隐身能力。

3、chen等人(jichen chen,zehui zhao,yantong zhu,et al.wave-transparentelectrothermal composite film for anti-icing/de-icing[j].progress in organiccoatings,2023,183,107751.)利用电磁泄漏和频率选择表面的相关理论，制备了一种轻质的图案化电热复合膜(pef)，在动态冰实验中表现出良好的快速加热和稳定性，只需要0.4w/cm2的功率密度就可以完全抗冰。然而，这种材料需要外加输入电源输入，具有能耗大的缺点。

4、中国专利《一种智能防覆冰材料及其制备方法和应用》(申请号：201910898261.2，申请公布号：cn 110591227 a，公布日：2019.12.20)公开了一种镍钛合金丝嵌合于防疏水树脂的智能防覆冰材料，当环境温度降低时，疏水树脂会发生收缩，且具有热弹性马氏体相变特性的镍钛合金丝会发生相变并产生膨胀，改变冰层内部膨胀力方向，使得冰层与材料表面之间的界面产生微小的裂纹，降低冰层在材料表面的粘附力，加速冰层的自主脱落，获得具有无需加热且防覆冰性能优异的使用效果，然而树脂的重复收缩和内部马氏体可能会引起涂层结合力的下降，从而导致涂层从基体中的剥落。

5、中国专利《一种兼容隐身防覆冰材料及其制备方法和应用》(申请号：202110913572.9，申请公布号：cn 113597032，公布日：2021.11.02)公开了一种兼容隐身防覆冰材料，依次包括层叠设置的绝缘隔热层、图案化加热层、绝缘导热层和疏水层；利用各结构的协同作用促使隐身及防覆冰功能兼容的目的，然而其除冰性能依赖于外加电流的施加，不利于多变的应用环境。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种自适应防覆冰复合材料及其制备方法和应用，用以解决目前隐身飞机防覆冰涂层隐身与覆冰性能无法兼容，环境适应能力差的技术问题。

2、为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：

3、本发明公开了一种自适应防覆冰复合材料的制备方法，包括以下步骤：

4、将聚合物、陶瓷颗粒、光交联剂、平滑剂和消泡剂加入溶剂中，依次经过搅拌、紫外光照处理、抽滤和干燥处理，得到疏水层；

5、将液态金属和导电聚合物加入去离子水中，依次经过加热搅拌、抽滤和干燥处理，得到刺激响应层；

6、将刺激响应层置于含多孔石墨烯的水溶液中，依次经过振荡、浸渍、抽滤和干燥处理，得到具有石墨烯纳米片装饰的刺激响应层；

7、将疏水层置于上层、具有石墨烯纳米片装饰的刺激响应层置于下层，经复合热压处理，得到自适应防覆冰复合材料。

8、进一步地，以质量百分比计，得到疏水层时，各个材料之间的用量为：聚合物5％～10％，陶瓷颗粒5％～10％，光交联剂1％～3％，平滑剂1％～3％，消泡剂1％～5％，溶剂70％～75％，以上材料总和为100％。

9、进一步地，所述聚合物为丙烯酸聚合物、醚聚合物、氟碳聚合物、聚苯乙烯聚合物和聚氯乙烯聚合物中的任意一种；所述陶瓷颗粒为氧化钛、氧化锌、氧化铈和氧化钒中的任意一种；所述光交联剂为异丙基二甲酰亚胺、丙烯酸酯和异氰酸酯中的任意一种；所述溶剂为水、乙醇、甲醇和异丙醇中的任意两种。

10、进一步地，所述搅拌的速度为100-300rpm，时间为0.5-2h；

11、所述紫外光照处理采用的光源为300-500w，光照时间为1-3h；

12、所述抽滤的方式为真空抽滤；所述真空抽滤的时间为0.2-1h；所述干燥处理的方式为真空干燥处理；所述真空干燥处理的温度为30～60℃，时间为2-8h。

13、进一步地，所述液态金属、导电聚合物和去离子水的质量比为(0.5～3)：(1～3)：20；所述加热搅拌的温度为40-60℃，时间为2-8h；

14、所述液态金属为ga、in和sn中的任意两种；所述导电聚合物为n(2羟基)丙基3三甲基壳聚糖氯化铵、聚苯胺、聚噻吩和聚吡咯中的任意一种。

15、进一步地，所述含多孔石墨烯的水溶液是由多孔石墨烯和水混合后得到；所述含多孔石墨烯的水溶液的浓度为2-10mg/l；

16、所述多孔石墨烯的制备方法为：

17、将石墨烯、30％双氧水和去离子水加入反应釜中水热处理，经水洗涤、60℃真空干燥及900℃煅烧处理，得到多孔石墨烯；

18、所述双氧水和去离子水的体积比为0.1-2：1-10；所述石墨烯的浓度为2-10mg/l；

19、水热处理的温度为120-150℃，水热处理的时间为1～3h；所述真空干燥的时间为2-4h；所述煅烧处理的时间为1-2h；所述煅烧处理的气氛为氮气、氩气和氢气中的任意一种。

20、进一步地，所述振荡的时间为2-6h；所述浸渍的方式为真空浸渍；所述真空浸渍的时间为6-12h，真空度为10-3-10-6。

21、进一步地，所述复合热压处理的温度为60～80℃，时间为0.5～1h，压力为5～10mpa。

22、本发明还公开了采用上述制备方法制备得到的适应防覆冰复合材料。

23、本发明还公开了上述适应防覆冰复合材料的应用，所述自适应防覆冰复合材料作为隐身飞机防覆冰涂层的材料。

24、与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

25、本发明公开了一种自适应防覆冰复合材料的制备方法，复合材料中的疏水层中的陶瓷颗粒和聚合物能增加表面的粗糙度、降低表面能，可避免水在材料表面的积聚，有效地防止水分渗透到材料结构内部，同时该疏水层具有良好的阻抗匹配，有利于电磁波的进入；当受冻雨影响形成覆冰时，复合材料的刺激响应层中的液态金属受到低温、覆冰压力和电磁波的三重刺激影响下，因体积膨胀内部的导电率会大幅增加，进而通过导电聚合物传递到多孔石墨烯中进行高效的电热转换，在局部产生高热，有助于覆冰的消融成水，最终在疏水层的辅助下进行滑落，同时，由于多孔石墨烯及导电聚合物会对电磁波进行耗散，达到智能防覆冰和智能隐身的效果；本发明制备的防覆冰复合材料解决了现有吸波涂层表面防覆冰适应性差、吸波隐身与覆冰性能不能兼容的问题，在防覆冰领域具有重要的应用前景。本发明的制备方法，能简易地实现疏水层和刺激响应层的稳定集成化，以获得具有吸波-电热-疏水的多功能化的复合材料来适用于各种对覆冰敏感的设备和结构的防护。该方法制备工艺简单，生产效率较高。