细管表面低粘附涂层的制备及其超低温抗结霜性能研究
发布时间：2022-01-21 05:22
空气预冷器是空天飞行器组合发动机的核心部件,其优劣直接影响整个发动机方案的成败。飞行器高超声速飞行时,预冷器需要在极短时间内（0.01s）将高温空气（1250K）深度冷却（120K）,但当空气中的水蒸气接触到超低温预冷器细管时,会立刻结霜,引起主流压力损失增大和热交换量降低。为了保证组合发动机吸气模式下的性能,需要有效抑制空气冷却过程中预冷器的结霜现象,结霜问题成为深度预冷技术的核心。针对结霜问题,本研究从研制低粘附涂层角度出发,主要研究内容如下:通过两步法制备了超疏水低粘附涂层,该涂层分为底漆粘结层和面漆功能层,底漆粘结层为氟碳树脂、聚氨酯树脂和颗粒的混合涂料,面漆功能层为以二氧化硅为主体的超疏水涂料。采用浸渍提拉的方法将涂层涂覆于细管表面,探究了面漆功能层的涂覆工艺:半固化1h后涂覆,涂覆时下降速度3000μm/s,浸渍时间1min,循环次数1次,提拉速度100μm/s。该超疏水低粘附涂层表面水滴接触角为159.6°,滚动角为3.6°,冰粘附强度为12.5kPa,呈微纳米复合多孔结构,表现出良好的超疏水性,延迟结冰效...
【文章来源】：东南大学江苏省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：91 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
SABRE发动机示意图
第一章绪论3图1-2空气预冷器实物图及示意图(a)全尺寸空气预冷器模块；(b)空气预冷器工作示意图；(c)铜焊管束局部图(d)单根微管端口扫描图；(d)微管壁微观照片；(f)空气预冷过程示意图1.2.2防/除霜方法的研究现状目前，民用、军用的防/除霜方法主要包括物理方法、化学方法、降低湿度、净化空气、外加极性场和改变润湿性，具体见表1-1。其中，物理方法主要包括自然融霜、电热融霜[12,13]、气热融霜、蒸汽融霜[14]、机械除霜[15-17]、超声波除霜[18-20]等，物理方法除霜效率高，环境污染小，已被广泛用于大飞机等航空领域，但是，物理方法也会伴随能耗高、设备复杂、费用高和操作复杂等缺点。化学方法主要有喷洒NaCl[21,22]、醇类物质[23,24]、及其他低凝固点的溶剂，化学方法价格便宜，操作简单，但是对环境有严重危害。降低湿度主要指降低来流的湿度，即在空气入口处采用干燥设备或者干燥剂，使得来流中水分减少，根本上抑制结霜，净化空气也是同样的道理。外加极性场包括外加电场[25-27]和外加磁场[28]，结霜是水分子的迁移过程，而水分子具有强极性，故外加极性场可以有效改变水分子的运动从而减少主流水分进入。虽然降低湿度、净化空气和外加极性场对环境几乎无影响，但由于添加系统的必要性，设备复杂，成本高，而且技术尚不成熟，效果不明显。以上是常用的防/除霜方法，对于超高声速飞行器发动机预冷器的防除霜，目前报道较多的主要是喷洒醇类物质这种化学方法。日本的ATREX发动机就是通过喷洒酒精，以有效阻止预冷器结冰，但是由于各种方法各有利弊，目前尚无明确定论。近年来，随着对表面润湿性研究的增加，改变润湿性来防/除霜也逐渐被尝试和接受，主要包括涂覆超亲水涂层[29-31]、疏水涂层[32-36]、超疏水涂层[37
第一章绪论5图1-3液滴在理想刚性平面上的接触角示意图杨氏方程只适用于理想刚性光滑表面，但实际固体表面大都是粗糙不平的。因此，Wenzel[65,66]引入粗糙因子对杨氏方程进行修正，修正后的修正后的Wenzel方程如公式（1-2）所示：cosθr=r(γSV-γSL)/γLV=rcosθ（1-2）式（1-2）中，θr是粗糙表观接触角，r是表面粗糙因子，即表面实际面积与投影面积的比值。由于r总是大于1，所以一般认为粗糙度对润湿性具有放大效应。Wenzel方程适用于亲水表面，但对于疏水表面，在较大表面粗糙度下，式（1-2）右边的绝对值可以大于1，所以等式就不成立。基于这种情况，Cassie[67]和Baxter提出了Cassie-Baxter模型（如图1-4）。应由Cassie-Baxter公式进行计算：cosθr=f1cosθ1+f2cosθ2（1-3）式中θ1、θ2为液滴在两种成分表面的本征接触角，f1、f2为表面上单位面积上两种物质所占的表面积分数，且满足f1+f2=1。这里我们假设固体表面为物质1，空气为物质2。因为空气和水的接触角定义为180°，所以θ2=180°，此时液滴满足Cassie模型（如图1-4(b)），Cassie-Baxter方程写成如公式（1-4）所示：cosθr=f1cosθ1-f2=f1cosθ2+f1-1(1-4)图1-4(a)Wenzel模型；(b)Cassie模型固体表面超疏水性（接触角>150°，滚动角<10°）是十分常见但又非常特殊的一类超浸润现象。近十年的研究结果表明，超疏水表面低温结霜时霜晶形核率、形核速率和霜层生长速率都明显低于未处理的表面。同样具有冷凝液滴自弹跳现象的超疏水表面，可以使得冷凝的液滴在发生冻结之前而合并弹跳，从而抑制霜晶的形成。不但如此，由于超高的接触角和极低的滚动角，超疏水表面无论是静止的，还是撞击的过冷水滴，都能轻易弹跳滚落。即使结霜，霜层?
【参考文献】：
期刊论文
[1]单级入轨空天飞机用新型液态空气循环发动机研究[J]. 谢睿轩. 内燃机与配件. 2018(10)
[2]预冷组合动力高超声速空天飞机关键技术研究进展[J]. 邓帆,谭慧俊,董昊,付秋军,尘军. 推进技术. 2018(01)
[3]英国空天飞机云霄塔的总体方案设计及任务需求分析[J]. 邓帆,陈林,宋巍,陈瞳,王竹溪. 飞航导弹. 2017(02)
[4]“佩刀”为天地往返提供新动力[J]. 黄志澄. 国际太空. 2015(07)
[5]高超声速航空发动机强预冷技术研究[J]. 邹正平,刘火星,唐海龙,万敏,王洪伟,陈小龙,陈懋章. 航空学报. 2015(08)
[6]预冷吸气式火箭发动机用换热器研制进展[J]. 郭婷,苏杭,赵耀中. 军民两用技术与产品. 2014(18)
[7]英国“云霄塔”空天飞机的最新进展[J]. 康开华. 国际太空. 2014(07)
[8]SKYLON飞行器与SABRE发动机研究[J]. 牛文,李文杰. 飞航导弹. 2013(03)
[9]超声波影响初始霜晶生长的微观可视化研究[J]. 李栋,陈振乾. 应用基础与工程科学学报. 2012(01)
[10]英国未来的SKYLON可重复使用运载器[J]. 康开华,丁文华. 导弹与航天运载技术. 2010(06)
硕士论文
[1]外电场对竖直冷表面上自然对流结霜过程影响的研究[D]. 张新华.北京工业大学 2006
本文编号：3599733
【文章来源】：东南大学江苏省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：91 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
SABRE发动机示意图
第一章绪论3图1-2空气预冷器实物图及示意图(a)全尺寸空气预冷器模块；(b)空气预冷器工作示意图；(c)铜焊管束局部图(d)单根微管端口扫描图；(d)微管壁微观照片；(f)空气预冷过程示意图1.2.2防/除霜方法的研究现状目前，民用、军用的防/除霜方法主要包括物理方法、化学方法、降低湿度、净化空气、外加极性场和改变润湿性，具体见表1-1。其中，物理方法主要包括自然融霜、电热融霜[12,13]、气热融霜、蒸汽融霜[14]、机械除霜[15-17]、超声波除霜[18-20]等，物理方法除霜效率高，环境污染小，已被广泛用于大飞机等航空领域，但是，物理方法也会伴随能耗高、设备复杂、费用高和操作复杂等缺点。化学方法主要有喷洒NaCl[21,22]、醇类物质[23,24]、及其他低凝固点的溶剂，化学方法价格便宜，操作简单，但是对环境有严重危害。降低湿度主要指降低来流的湿度，即在空气入口处采用干燥设备或者干燥剂，使得来流中水分减少，根本上抑制结霜，净化空气也是同样的道理。外加极性场包括外加电场[25-27]和外加磁场[28]，结霜是水分子的迁移过程，而水分子具有强极性，故外加极性场可以有效改变水分子的运动从而减少主流水分进入。虽然降低湿度、净化空气和外加极性场对环境几乎无影响，但由于添加系统的必要性，设备复杂，成本高，而且技术尚不成熟，效果不明显。以上是常用的防/除霜方法，对于超高声速飞行器发动机预冷器的防除霜，目前报道较多的主要是喷洒醇类物质这种化学方法。日本的ATREX发动机就是通过喷洒酒精，以有效阻止预冷器结冰，但是由于各种方法各有利弊，目前尚无明确定论。近年来，随着对表面润湿性研究的增加，改变润湿性来防/除霜也逐渐被尝试和接受，主要包括涂覆超亲水涂层[29-31]、疏水涂层[32-36]、超疏水涂层[37
第一章绪论5图1-3液滴在理想刚性平面上的接触角示意图杨氏方程只适用于理想刚性光滑表面，但实际固体表面大都是粗糙不平的。因此，Wenzel[65,66]引入粗糙因子对杨氏方程进行修正，修正后的修正后的Wenzel方程如公式（1-2）所示：cosθr=r(γSV-γSL)/γLV=rcosθ（1-2）式（1-2）中，θr是粗糙表观接触角，r是表面粗糙因子，即表面实际面积与投影面积的比值。由于r总是大于1，所以一般认为粗糙度对润湿性具有放大效应。Wenzel方程适用于亲水表面，但对于疏水表面，在较大表面粗糙度下，式（1-2）右边的绝对值可以大于1，所以等式就不成立。基于这种情况，Cassie[67]和Baxter提出了Cassie-Baxter模型（如图1-4）。应由Cassie-Baxter公式进行计算：cosθr=f1cosθ1+f2cosθ2（1-3）式中θ1、θ2为液滴在两种成分表面的本征接触角，f1、f2为表面上单位面积上两种物质所占的表面积分数，且满足f1+f2=1。这里我们假设固体表面为物质1，空气为物质2。因为空气和水的接触角定义为180°，所以θ2=180°，此时液滴满足Cassie模型（如图1-4(b)），Cassie-Baxter方程写成如公式（1-4）所示：cosθr=f1cosθ1-f2=f1cosθ2+f1-1(1-4)图1-4(a)Wenzel模型；(b)Cassie模型固体表面超疏水性（接触角>150°，滚动角<10°）是十分常见但又非常特殊的一类超浸润现象。近十年的研究结果表明，超疏水表面低温结霜时霜晶形核率、形核速率和霜层生长速率都明显低于未处理的表面。同样具有冷凝液滴自弹跳现象的超疏水表面，可以使得冷凝的液滴在发生冻结之前而合并弹跳，从而抑制霜晶的形成。不但如此，由于超高的接触角和极低的滚动角，超疏水表面无论是静止的，还是撞击的过冷水滴，都能轻易弹跳滚落。即使结霜，霜层?
【参考文献】：
期刊论文
[1]单级入轨空天飞机用新型液态空气循环发动机研究[J]. 谢睿轩. 内燃机与配件. 2018(10)
[2]预冷组合动力高超声速空天飞机关键技术研究进展[J]. 邓帆,谭慧俊,董昊,付秋军,尘军. 推进技术. 2018(01)
[3]英国空天飞机云霄塔的总体方案设计及任务需求分析[J]. 邓帆,陈林,宋巍,陈瞳,王竹溪. 飞航导弹. 2017(02)
[4]“佩刀”为天地往返提供新动力[J]. 黄志澄. 国际太空. 2015(07)
[5]高超声速航空发动机强预冷技术研究[J]. 邹正平,刘火星,唐海龙,万敏,王洪伟,陈小龙,陈懋章. 航空学报. 2015(08)
[6]预冷吸气式火箭发动机用换热器研制进展[J]. 郭婷,苏杭,赵耀中. 军民两用技术与产品. 2014(18)
[7]英国“云霄塔”空天飞机的最新进展[J]. 康开华. 国际太空. 2014(07)
[8]SKYLON飞行器与SABRE发动机研究[J]. 牛文,李文杰. 飞航导弹. 2013(03)
[9]超声波影响初始霜晶生长的微观可视化研究[J]. 李栋,陈振乾. 应用基础与工程科学学报. 2012(01)
[10]英国未来的SKYLON可重复使用运载器[J]. 康开华,丁文华. 导弹与航天运载技术. 2010(06)
硕士论文
[1]外电场对竖直冷表面上自然对流结霜过程影响的研究[D]. 张新华.北京工业大学 2006
本文编号：3599733
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