飛機表面關鍵部位結冰經常會帶來很多問題,甚至給飛行安全帶來隱患。盡管傳統(tǒng)除冰方法可以一定程度上解決結冰問題,但是會導致飛機的結構設計復雜和燃油效率降低,因此需要開發(fā)出一種新型的防除冰方法。超疏水表面由于可以延遲液滴結冰時間和降低冰層黏附強度而在防除冰領域具有良好的應用前景。本論文通過在鋁合金表面構造出微觀結構和降低表面自由能來制備具有高防冰性能的超疏水表面,研究表面微觀結構對潤濕性能的影響機制,分析表面冷凝液滴自發(fā)彈跳行為、液滴結冰延遲時間、冰層附著強度以及霜層擴展過程。得出的主要結論有:(1)以鋁合金為基體材料,首先通過電化學刻蝕的方法構造出微米級塊狀結構,隨后經過水熱處理在塊狀結構表面生長一層納米級線狀結構,最后將這種微納米分級結構表面置于氟硅烷(FAS-17)中修飾得到超疏水表面。經過對不同結構表面潤濕性的對比研究發(fā)現:電化學刻蝕過程中控制電壓6 V,時間2 h以及水熱處理時間為5 h的時候得到最佳疏水性能,其表面液滴靜態(tài)接觸角為164°,滾動角為1.5°。(2)通過研究液滴以一定速度撞擊超疏水表面后的運動過程分析微觀結構對表面動態(tài)斥水性能的影響。在光滑表面上撞擊液滴在接觸表面后不能反彈離開,而在微納米分級結構表面撞擊液滴在經過鋪展、收縮后會反彈離開表面,其與表面的接觸時間為9.8 ms,在微米級結構和納米級結構表面的撞擊液滴接觸時間分別為12.4 ms和11.6 ms,這是因為超疏水表面特殊的微觀結構,可以降低液滴鋪展、收縮過程中的粘滯阻力,因此液滴可以迅速彈離試樣表面。(3)微米級表面、納米級表面和微納米分級結構表面均能有效延長液滴的結冰時間,液滴在基體表面的結冰時間僅為11.3 s,而微納米分級結構表面液滴結冰時間能延長到1697 s,其表面特殊的微觀結構大幅度降低了與液滴的實際接觸面積,導致液滴與表面極低的熱傳遞效率,因而液滴需要大量時間來完成過冷過程,且結冰后表面冰層的黏附強度僅有35.7 kPa,相比于光滑表面下降了約20倍。在對三種表面的結霜過程分析中發(fā)現,在納米級表面和微納米分級結構表面上液滴在冷凝過程中會發(fā)生自發(fā)彈跳現象,即兩顆或多顆冷凝液滴相互合并,隨后在表面能的作用下自發(fā)彈離表面,這種冷凝液滴自運動是引起超疏水表面有效延緩霜層擴展的重要因素,而復合結構表面由于更低的粘滯阻力而表現出較高的防霜性能。
【學位單位】：南京航空航天大學
【學位級別】：碩士
【學位年份】：2019
【中圖分類】：V244.15
【部分圖文】：

圖 1.1 常見飛機結冰部位[6]飛機結冰機理機結冰是由于接觸機身表面液態(tài)水的凍結產生，而在高空中隨著海拔高度和云同存在三種相態(tài)的水，分別是普通水滴、冰晶和過冷水滴。其中普通水滴的存飛機飛行高度，因此一般不會在飛機表面凍結。冰晶是水汽在冰核上凝華增長成物，冰晶接觸機身后直接沉積在表面，這種現象稱為干結冰，飛機干結冰一的附著力很低而在接觸后會直接自發(fā)脫落，因此不會影響飛行安全[7-9]。水汽在于液態(tài)的液滴稱為過冷水滴，其存在溫度范圍一般在 0°C 到-40°C 之間，飛機是由于過冷液滴接觸機身后凍結形成。空氣中存在較大范圍的過冷水滴分散區(qū)撞擊到飛機表面后會迅速發(fā)生凍結，其與機身黏附強度大，并且所形成的冰層此過冷水滴凍結是造成飛機結冰的最重要原因[10-12]。據飛機結冰所形成冰層的結構和形狀，一般可以分為明冰、霜冰和混合冰三種較大尺寸的過冷水滴在-10 °C 以上凍結而成，液滴凍結時釋放的相變潛熱會使高到冰點溫度，液滴凍結過程較為緩慢，由于冰中沒有氣泡，因而外表光滑透

等級 弱積冰 中積冰 強積冰 極積冰厚度m/min）＜0.6 0.6~1.0 1.1~2.0 積冰層厚度cm）≤5.0 5.1~15.0 15.1~30.0 ＞防/除冰技術研究現狀面結冰對飛行安全影響巨大，因此需要及時將冰層才能保證飛機的正常冰的必要性開始，科學家們已經開發(fā)出了多種防除冰技術。針對飛機上采用的是防冰系統(tǒng)，當飛機處于可能結冰的氣象條件的時候開啟，防止上的某些部位可以允許有適量結冰，這種情況一般是當冰層積累程度達冰系統(tǒng)進行冰層去除。目前常見的防除冰方法有機械式除冰、加熱式防 1.2 所示，其中機械式除冰包括氣動帶除冰與電脈沖除冰兩類，加熱式不同可以將其分為氣熱防冰系統(tǒng)、電熱防/除冰系統(tǒng)，以及依靠其他熱源。由于加熱式防除冰效果較好，因而使用較為普遍。

南京航空航天大學碩士學位論文面潤濕研究面潤濕理論自然界某些特定的動植物表面時，如荷葉、蟬翼等，會發(fā)生些表面上停留，即使存在水滴，也是呈現出近乎圓形的狀態(tài)具有超疏水性的微觀結構和化學組成[23-24]。研究發(fā)現，雨是因為在荷葉表面有很多微小乳突結構，而每個乳突上又這種特殊的微觀結構是引起荷葉優(yōu)異疏水性能的主要原因，水性能需要兩個因素的共同作用：微觀結構和表面化學組能潤濕表面，具有高的接觸角和低的滾動角。超疏水表面影響，在具有一定粗糙結構的超疏水表面，液滴并不能完與凹槽之間會截留大量空氣，使得固體表面與液滴的實際界面[29]。
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本文編號：2837275