一种疏冰抑霜表面及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种疏冰抑霜表面及其制备方法，该疏冰抑霜表面包括高温合金材质的基底，所述基底的表面上呈阵列结构分布有若干一级微米结构，所述一级微米结构为凸柱或一级沉孔，所述一级微米结构的宽度为10

【技术实现步骤摘要】
一种疏冰抑霜表面及其制备方法


[0001]本专利技术涉及飞行器推进系统
，具体是一种疏冰抑霜表面及其制备方法。

技术介绍

[0002]预冷器是预冷型组合循环发动机中的重要组成部件，一般设置在进气道与压气机之间。在预冷型组合循环发动机进行高超声速飞行的过程中，预冷器通过降低进气道中的来流温度，从而提高压气机压缩比，实现空天飞行器一级入轨、二级入轨的宽速域飞行需求。
[0003]在追求预冷型组合循环发动机动力性能的同时，预冷器微通道换热管的低温状态也带来了微通道表面的结冰结霜问题，这成为制约预冷型组合循环发动机技术发展的关键难题。传统的防冰防霜方法一般采用引入冷凝气体、喷注醇类物质等进行主动除冰除霜手段，这些手段虽直接有效但需要消耗外部能源，给飞行器带来新的能量负担，因此急需寻求一种新型防冰防霜方式。
[0004]近年来，国内外学者提出通过利用疏水表面的特殊浸润性能(即接触角大、接触角滞后小，液滴与表面接触面积小)来实现延缓液滴冻结、降低冰的粘附力等效能的被动防冰防霜方案。其中，具有微纳结构的疏水表面因具有更好的疏水性能而受到广泛关注，这种疏水表面结构源自于自然界中最具代表性的荷叶疏水现象，通过电子扫描镜下发现，荷叶表面呈现出规则的微纳结构，正是这种微纳结构和表面蜡质层共同作用使得荷叶具有优良的疏水、自清洁、低粘附性能。现有技术中在硅表面上通过掩膜刻蚀技术加工直径12μm，边缘距30μm，高度50μm的周期性阵列圆柱，并用黑硅颗粒修饰，形成硅表面接触角为156
°
的微纳二级结构，将微纳二级结构用于液滴冻结实验，可有效将空白硅表面的静止液滴冻结时间从300s延缓至2000s，由此可见，使用微纳结构疏水性能来实现被动防冰防霜的方式具有可观的应用前景。然而，现有的具有疏水性能的表面要应用于预冷型组合循环发动机进气道中还存在较大困难，其原因在于发动机进气道来流气温最高可达上千摄氏度，而目前的疏水表面制备大多以硅表面、铜表面或铝表面为基底材料，均不适用于高温工况。

技术实现思路

[0005]针对上述现有技术中的不足，本专利技术提供一种疏冰抑霜表面及其制备方法，用于解决预冷型组合循环发动机中高温高速来流工况下的预冷器微通道结冰结霜难题。
[0006]为实现上述目的，本专利技术提供一种疏冰抑霜表面，包括高温合金材质的基底，所述基底的表面上呈阵列结构分布有若干一级微米结构，所述一级微米结构为凸柱或一级沉孔，所述一级微米结构的宽度为10
‑
30μm，所述一级微米结构的高度或深度为10
‑
80μm，相邻两个所述一级微米结构之间的间距为10
‑
60μm。
[0007]在其中一个实施例中，当所述一级微米结构为凸柱时，所述疏冰抑霜表面还包括二级微米结构；
[0008]所述二级微米结构为设在每一所述一级微米结构顶部的二级沉孔，所述二级沉孔
的宽度为5
‑
15μm，所述二级沉孔的深度为10
‑
40μm。
[0009]在其中一个实施例中，还包括三级纳米结构，所述三级纳米结构为沉积在所述疏冰抑霜表面的金属纳米颗粒。
[0010]在其中一个实施例中，所述一级微米结构呈矩形阵列或平行四边形阵列或正六边形阵列结构分布在所述基底的表面上。
[0011]为实现上述目的，本专利技术还提供一种疏冰抑霜表面的制备方法，包括如下步骤：
[0012]步骤1，设计一级微米结构的特征参数：宽度为A，高度或深度为H，间距为B；
[0013]步骤2，对基底的表面进行抛光或镜面处理，获得精加工表面，对精加工表面进行超声清洗并烘干；
[0014]步骤3，预设激光光束宽度l、激光扫描间隔Δd、激光扫描时长Δt，其中，Δd＝A+B，l<B；
[0015]步骤4，考虑高温合金材质的基底硬度过高，激光一次扫描无法达到预设激光光束宽度l，因此引入硬度修正系数得到实际激光扫描次数且一次激光扫描后激光扫描器向旁边移动l/f
HB
距离，完成第一阶段的激光加工，得到一级微米结构雏形，其中，HB为基底材料的布氏硬度，表示向上取整，当一级微米结构为凸柱时X＝B，当一级微米结构为一级沉孔时X＝A；
[0016]步骤5，对已完成第一阶段激光加工基底表面进行超声清洗并烘干，测量已加工表面的现有一级微米结构雏形的高度或深度为H
′
，根据目标高度或深度为H计算剩余激光加工时长为完成第二阶段的激光加工，得到一级微米结构；
[0017]步骤6，将已完成第二阶段激光加工基底表面进行超声清洗并烘干，获得具有一级微米结构的疏冰抑霜表面。
[0018]在其中一个实施例中，所述一级微米结构呈矩形阵列或平行四边形阵列或正六边形阵列结构分布在所述基底的表面上；
[0019]对于矩形阵列分布的一级微米结构，激光扫描为成90度角沿矩形的边长运动；
[0020]对于平行四边形阵列分布的一级微米结构，激光扫描为成60度角沿四边形的边长运动；
[0021]对于正六边形阵列分布的一级微米结构，激光扫描为成120度角沿六边形的边长运动。
[0022]在其中一个实施例中，当所述一级微米结构为棱柱或圆柱时，所述方法还包括：
[0023]步骤7，在一级微米结构的顶部激光加工出更小尺寸的二级沉孔，并对加工完成后的基底表面进行超声清洗并烘干，得到具有微
‑
微结构的疏冰抑霜表面。
[0024]在其中一个实施例中，该方法还包括：
[0025]步骤8，制作金属纳米颗粒均匀混合溶液，将具有一级微米结构的疏冰抑霜表面或具有微
‑
微结构的疏冰抑霜表面置于溶液中，并通以小电流密度，使得金属纳米颗粒基底的表面沉积，得到具有微
‑
纳结构或微
‑
微
‑
纳结构的疏冰抑霜表面。
[0026]本专利技术提供的一种疏冰抑霜表面及其制备方法，具有如下有益技术效果：
[0027]1、本专利技术采用激光加工技术及纳米颗粒沉积技术对高温合金表面进行加工，可实现高温合金表面一级微米结构、微
‑
微结构、微
‑
纳结构和微
‑
微
‑
纳结构疏水表面制备，可实现预冷型组合循环发动机中高温来流工况下运用微纳结构提高疏水性能，从而制备得到高温合金疏冰抑霜表面，该疏冰抑霜表面结构易于加工，具有良好的稳定性和力学性能；
[0028]2、本专利技术采用矩形、四边形、六边形的阵列排布方式，采用凸柱形貌及孔状微结构形貌，并设计不同阵列微结构尺寸，实现高温合金表面疏冰抑霜性能。
附图说明
[0029]为了更清楚地说明本专利技术实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本专利技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种疏冰抑霜表面，其特征在于，包括高温合金材质的基底，所述基底的表面上呈阵列结构分布有若干一级微米结构，所述一级微米结构为凸柱或一级沉孔，所述一级微米结构的宽度为10
‑
30μm，所述一级微米结构的高度或深度为10
‑
80μm，相邻两个所述一级微米结构之间的间距为10
‑
60μm。2.根据权利要求1疏冰抑霜表面，其特征在于，当所述一级微米结构为凸柱时，所述疏冰抑霜表面还包括二级微米结构；所述二级微米结构为设在每一所述一级微米结构顶部的二级沉孔，所述二级沉孔的宽度为5
‑
15μm，所述二级沉孔的深度为10
‑
40μm。3.根据权利要求1或2疏冰抑霜表面，其特征在于，还包括三级纳米结构，所述三级纳米结构为沉积在所述疏冰抑霜表面的金属纳米颗粒。4.根据权利要求1或2疏冰抑霜表面，其特征在于，所述一级微米结构呈矩形阵列或平行四边形阵列或正六边形阵列结构分布在所述基底的表面上。5.一种疏冰抑霜表面的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤1，设计一级微米结构的特征参数：宽度为A，高度或深度为H，间距为B；步骤2，对基底的表面进行抛光或镜面处理，获得精加工表面，对精加工表面进行超声清洗并烘干；步骤3，预设激光光束宽度l、激光扫描间隔Δd、激光扫描时长Δt，其中，Δd＝A+B，l<B；步骤4，考虑高温合金材质的基底硬度过高，激光一次扫描无法达到预设激光光束宽度l，因此引入硬度修正系数得到实际激光扫描次数且一次激光扫描后激光扫描器向旁边移动l/f
HB
距离，完成第一阶段的激光加工，得到一级微米结构雏形，其中，...

【专利技术属性】
技术研发人员：张多，柳军，汪元，岳晓菲，袁雪强，刘卫东，
申请(专利权)人：中国人民解放军国防科技大学，
类型：发明
国别省市：