【摘要】：本論文基于仿生超疏水表面研究基礎(chǔ),在航空鋁合金表面構(gòu)建微納米多級(jí)結(jié)構(gòu),開展表面微小液滴的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)非潤濕行為研究,進(jìn)而研究表面的結(jié)冰延遲性能、冰層附著力、抗結(jié)霜冰凍能力以及低溫條件下的撞擊行為,最后利用冰風(fēng)洞試驗(yàn)研究超微小液滴撞擊多級(jí)結(jié)構(gòu)表面的實(shí)際防覆冰能力,以期探究超疏水防冰表面在飛機(jī)主動(dòng)防結(jié)冰領(lǐng)域的應(yīng)用潛能。論文的主要工作及結(jié)論如下:1)基于超疏水表面改性技術(shù),采用化學(xué)刻蝕工藝構(gòu)筑了優(yōu)異的納米結(jié)構(gòu)表面,經(jīng)氟硅烷(FAS-17)修飾處理后,研究化學(xué)刻蝕工藝參數(shù)對(duì)表面形貌和疏水性能的影響。結(jié)果顯示:當(dāng)NaOH的濃度為0.05M,堿刻蝕時(shí)間為5min,沸水浴時(shí)間為40min時(shí),表面均勻分布著納米片,尺寸約為100nm,展示出優(yōu)異的超疏水性,接觸角高達(dá)169°,滾動(dòng)角接近6°。2)結(jié)合光刻技術(shù)和最佳刻蝕工藝,在鋁合金表面構(gòu)筑一層微米陣列復(fù)合結(jié)構(gòu),并在陣列上生長一層均勻的納米片結(jié)構(gòu),經(jīng)FAS-17氟化修飾處理后,研究這種微納米陣列復(fù)合結(jié)構(gòu)的非潤濕性、接觸彈跳、結(jié)冰延遲性能和防冰抗霜性能。發(fā)現(xiàn)較單級(jí)結(jié)構(gòu)表面,微納米陣列復(fù)合結(jié)構(gòu)具有更高的非潤濕性,接觸角高達(dá)173°,滾動(dòng)角小至4.5°,接觸角滯后降到1.71°,彈跳接觸時(shí)間短到10ms,結(jié)冰延遲時(shí)間相對(duì)基體延長超過10倍,表面冰層附著力大幅度減小至75KPa,表現(xiàn)出優(yōu)異的低溫斥水性和防冰抗霜能力。3)采用噴砂工藝和最佳刻蝕工藝,在鋁合金表面構(gòu)筑微納米二級(jí)結(jié)構(gòu),經(jīng)FAS-17氟化修飾處理后,研究發(fā)現(xiàn)常溫下微小液滴在微納米二級(jí)表面擁有優(yōu)異的非潤濕性和彈跳行為,接觸時(shí)間短至5.6ms,但隨著溫度的不斷降低,接觸時(shí)間隨之延長,最終由于溫度過低(-20°C),表面液滴的粘滯阻力太大而不能彈起。另外,微納米二級(jí)結(jié)構(gòu)超疏水表面具有良好的結(jié)冰延遲性能和防結(jié)冰附著能力,結(jié)冰延遲達(dá)到769s,附著力強(qiáng)度減小至100.4KPa。隨后利用風(fēng)洞試驗(yàn)研究微納米二級(jí)結(jié)構(gòu)表面的實(shí)際防覆冰能力,結(jié)果發(fā)現(xiàn)在超微小液滴的撞擊下,單級(jí)的納米片結(jié)構(gòu)表面比微納米二級(jí)結(jié)構(gòu)表現(xiàn)出較好的防冰性能,結(jié)冰區(qū)域小到一半,冰層附著量減少26g。這主要是因?yàn)槲⒓{米二級(jí)結(jié)構(gòu)超疏水表面可以阻止直徑大于2mm的實(shí)驗(yàn)液滴或者靜態(tài)液滴下的滲透,但在冰風(fēng)洞環(huán)境下卻不能有效阻止超微小液滴的積冰富集。
【學(xué)位授予單位】：南京航空航天大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號(hào)】：TG174.4
【圖文】：

鋁合金多級(jí)結(jié)構(gòu)表面的構(gòu)筑與防冰性能研究實(shí)際上過冷液滴結(jié)冰是飛機(jī)最常見的形式，由于空氣中存在相當(dāng)強(qiáng)烈的對(duì)流氣流，使得氣中存在較大范圍的過冷水滴分散區(qū)域，一般發(fā)生在 0°C 至-40°C 之間，形成的冰層與飛機(jī)體表面具有較高的附著力。根據(jù)冰塊結(jié)構(gòu)、種類和形狀主要分為三種：明冰、霜冰及毛冰[4-6如圖所示 1.1 所示。明冰：形成于-18°C ~0°C 的云層，由較大的水滴或凍雨凝結(jié)而成，透明無色光滑，組織密，一般不含氣泡，法向附著力大，難以脫落，不易發(fā)現(xiàn)，嚴(yán)重破壞飛機(jī)的氣動(dòng)外形，故最險(xiǎn)。霜冰：形成于-40°C ~-10°C 的云層，由非常小的水滴撞擊飛機(jī)表面立即凍結(jié)而成，色澤乳白色，表面粗糙，組織松散，含有大量氣泡，附著力差，易脫落，通常出現(xiàn)在機(jī)翼前緣或柱表面。毛冰：形成溫度為-20°C~-10°C，形成過程大小過冷水滴并存，結(jié)冰前部具有明冰特性，部具有霜冰特性，粗糙不平，十分牢固，對(duì)飛機(jī)外形破壞較大。

如圖1.2 所示，結(jié)冰對(duì)飛機(jī)的影響主要表現(xiàn)在四個(gè)方面：氣動(dòng)特性、操縱性、穩(wěn)定性、升降特性[8-10]。（1）結(jié)冰對(duì)氣動(dòng)特性的影響結(jié)冰主要影響飛行的氣動(dòng)外形，形成的粗糙度會(huì)使邊界層提前轉(zhuǎn)捩，促使氣流提早分離，使臨界迎角下降。而且流場(chǎng)的變化會(huì)惡化翼面的升阻比，使阻力增加，升力減小，失速速度提高，改變俯仰力矩，破壞穩(wěn)定性。2

圖 1.3 常見飛機(jī)防除冰技術(shù)盡管傳統(tǒng)飛機(jī)防除冰技術(shù)應(yīng)用廣泛，在一定程度上具有良好的除冰效果。然而在低溫候環(huán)境下，一旦過冷液滴撞擊飛機(jī)表面后迅速凝固，附著力較大，短時(shí)外部除融冰根時(shí)迫使其完全脫離，因而不能從根源處阻止冰層形成。另外，外部除冰裝置一定程度身負(fù)重和制造成本，影響飛機(jī)氣動(dòng)性能的穩(wěn)定，存在能耗高，除冰液多，除冰效率低。這些與當(dāng)代倡導(dǎo)的“綠色環(huán)保、高效節(jié)能、輕量化”的航空可持續(xù)發(fā)展理念相違背。傳統(tǒng)除冰方法存在的一些問題，亟待開發(fā)一種新型的主動(dòng)防冰技術(shù)。超疏水表面技術(shù)材料表面的結(jié)構(gòu)形貌和化學(xué)成分來迫使水滴無法在表面聚集，從根源上解決過冷液滴著現(xiàn)象。超疏水防冰表面具有污染小、能耗低、輕巧的優(yōu)點(diǎn), 儼然已經(jīng)成為當(dāng)下飛機(jī)領(lǐng)域的熱點(diǎn)課題。 超疏水表面研究1 自然界中超疏水現(xiàn)象自然界中很多植物和昆蟲存在極好的非潤濕特性，例如玫瑰花瓣、水黽腿部、蚊子眼睛普遍表現(xiàn)出高的疏水性能，能夠使液滴在表面自由滾落。20 世紀(jì) 90 年代，兩名德國

【參考文獻(xiàn)】

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1 龔正;先進(jìn)飛行器非定常氣動(dòng)力建模、控制律設(shè)計(jì)及驗(yàn)證方法研究[D];南京航空航天大學(xué);2011年

本文編號(hào)：2771967