【摘 要】
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飞机机翼等重要部位表面积冰会改变飞机气动特性,影响飞行安全,传统防/除冰技术存在能耗大、效率低和污染问题。“零能耗”的超疏水表面在被动防冰领域存在巨大应用潜力,同时也对表面提出较高的疏水耐久性和防冰性需求。本文基于“颗粒/胶粘剂”的一体化表层结构设计,通过对环氧基体疏水改性研究,解决了表层疏水性与机械性能难以兼顾的问题,结合氟聚物颗粒增强,获得机械强度高、粘附性强、耐候性优良的复合超疏水表层,再结
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飞机机翼等重要部位表面积冰会改变飞机气动特性,影响飞行安全,传统防/除冰技术存在能耗大、效率低和污染问题。“零能耗”的超疏水表面在被动防冰领域存在巨大应用潜力,同时也对表面提出较高的疏水耐久性和防冰性需求。本文基于“颗粒/胶粘剂”的一体化表层结构设计,通过对环氧基体疏水改性研究,解决了表层疏水性与机械性能难以兼顾的问题,结合氟聚物颗粒增强,获得机械强度高、粘附性强、耐候性优良的复合超疏水表层,再结合石墨烯电加热技术,进行了模拟航空飞行条件下的防/除冰性能验证,实现了节能与防/除冰效率的提升,形成一种低热、低能耗的耦合防/除冰方法,为环氧复合超疏水表层在飞机翼面的防冰应用研究提供参考与指导。（1）通过环氧体系选材分析,并结合端羟基氟硅氧烷对选定环氧进行接枝改性研究,成功获得满足内部粘结、外部疏水特性的复合表层基体。研究表明:E51环氧树脂具备优良的综合性能,适用于复合超疏水表层的制备研究;改性剂含量为25wt%时,表面能从39.2m N/m降低至23.5m N/m,接触角由69.1°提升至112.0°;同时,通过DSC固化反应特性分析确定表层固化制度为:80/2h+100/1h。（2）采用氟聚物颗粒与疏水环氧复合进行“一体化”超疏水表层制备,研究获得覆膜工艺、颗粒含量和机械化学处理对表层疏水性能的影响规律和机理。针对制备中的纳米团聚和覆膜问题,采用磁力/超声组合方式实现了涂料在微观与宏观尺度的分散,并通过优化喷涂技术获得均匀优质的超疏水表层;疏水性研究表明,改性基体降低了复合表层对功能颗粒的依赖,疏水性和机械性能得到显著提升,接触角高达160.6°,滚动角低至2°,经240次磨损和360s高速砂砾侵蚀后仍能维持超疏水状态,同时表现出优良的基材粘附、耐腐蚀、耐老化和自清洁性能。（3）基于超疏水表面防冰机理,开展了动态水滴撞击特性、相变特征、冰层粘附和防冰稳定性试验研究,结果表明研制的超疏水表面可有效延迟并缓解积冰。动态水滴撞击超疏水表面接触11ms即可迅速反弹,这有助于减少水滴驻留结冰,与裸铝表面对比,超疏水表面将结冰时间从14s延迟至920s,结冰温度由-8降至-16,但冰层粘附力强度并未减弱,反而因表面结霜和水柱重力影响产生了“锚固效应”,防冰稳定性分析表明经8次结/除冰循环后,表层转为疏水状态并长期维持。（4）将超疏水表层与石墨烯电热防护组件耦合应用于NACA0012翼型件前缘,通过冰风洞试验研究耦合系统的防/除冰效果,获得一种低热、节能、高效的耦合防/除冰技术。结果表明:超疏水表层能有效减少并延缓结冰,但切应力最小的驻点附近仍会结冰;防冰模式下,耦合系统较单独的石墨烯防护节能21%,表面防冰温度由传统电加热的60降低至5;除冰模式下,超疏水表面水膜“润滑”作用使除冰速率提升了250%,30%弦长的超疏水防护区域可有效避免过冷水滴和二次回流的蓄积。
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