[发明专利]一种防冰功能性结构及其制备方法和应用

说明书

本发明提供了一种防冰功能性结构及其制备方法和应用，属于机械表面工程技术领域。本发明提供的防冰功能性结构的制备方法包括以下步骤：在基体的表面制备楔形微结构，在基体的表面形成楔形微结构层；在所述楔形微结构层的表面制备纳米级晶格，在楔形微结构层的表面形成纳米级晶格层；将表面具有所述纳米级晶格结构层的基体进行低表面能处理，在基体的表面形成防冰功能性结构。本发明提供的防冰功能性结构设置有纳米级晶格以及微米级楔形沟槽，能够在方向力的作用下，实现固体表面上液体的有效抗黏附，同时使得固体表面上微小液滴被不断收集，并在液滴自身压差和方向力的作用下被定向运输离开固体表面，从而实现表面防冰。

技术领域

本发明涉及机械表面工程技术领域，尤其涉及一种防冰功能性结构及其制备方法和应用。

背景技术

飞机防冰对于飞行安全至关重要。由于防冰系统要长期运转，而除冰系统只需要周期运转，故防冰系统要耗费更大的能量，因而主要用于重要部件，如发动机和机翼。超疏水表面在延迟表面液滴冻结、降低所结冰层黏附方面有一定优势，这为飞机防冰技术拓展了新的思路。

目前，采用热喷涂锌铝涂层技术是构建超疏水表面的方式之一，具体是用电弧喷涂技术在Q235钢板上喷涂锌铝合金涂层，之后用硬脂酸/乙醇的表面修饰技术在锌铝合金涂层表面构筑一层超疏水膜。但该超疏水表面仅依靠延迟液滴结晶成核来实现防冰，防冰效果差。

发明内容

本发明的目的在于提供一种防冰功能性结构及其制备方法和应用，本发明提供的防冰功能性结构设置有纳米级晶格以及微米级楔形沟槽，不仅可以延迟液滴结晶成核，还能够在方向力的作用下，实现固体表面上液体的有效抗黏附，使得固体表面上微小液滴被不断收集，并在液滴自身压差和方向力的作用下被定向运输离开固体表面，从而实现表面防冰。

为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：

本发明提供了一种防冰功能性结构的制备方法，包括以下步骤：

在基体的表面制备楔形微结构，在基体的表面形成楔形微结构层；所述楔形微结构层由阵列分布的楔形微结构形成，所述楔形微结构包括多个串联的楔形沟槽，串联的相邻两个楔形沟槽中，沿水流方向，一个楔形沟槽的宽端与另一个楔形沟槽的窄端通过过渡圆弧连接；

在所述楔形微结构层的表面制备阵列分布的纳米级晶格，在楔形微结构层的表面形成纳米级晶格层；

将表面具有所述纳米级晶格结构层的基体进行低表面能处理，在基体的表面形成防冰功能性结构。

优选地，每个所述楔形沟槽的楔角独立地为0.5°～4°，深度独立地为1～110μm，长度独立地为0.1～50mm，沟槽宽度独立地为1μm～0.5mm。

优选地，所述过渡圆弧的半径为0.1～1mm。

优选地，所述楔形微结构的阵列周期为2μm～6mm。

优选地，在基体的表面制备所述楔形微结构的方法包括激光液相加工法；所述激光液相加工法在浓度为0.4～2wt％的氟化液中进行，所述基体的待加工表面距离氟化液液面0.5～5mm；所述激光液相加工法的激光操作条件包括：皮秒激光，激光功率为5～30W，脉宽为75fs，重复频率为1000Hz，扫描间距为0.01～0.02mm。

优选地，所述纳米级晶格的径向尺寸为10～500nm，所述纳米级晶格层的厚度为1～2μm。

优选地，在所述楔形微结构层的表面制备纳米级晶格的方法包括湿法刻蚀法，所述湿法刻蚀法所用刻蚀液为浓度为1～4mol/L的盐酸。

优选地，所述低表面能处理所用处理液为浓度为0.1～2wt％的氟化液。