铝合金多级结构表面的构筑与防冰性能研究
发布时间：2020-07-27 14:32
【摘要】：本论文基于仿生超疏水表面研究基础,在航空铝合金表面构建微纳米多级结构,开展表面微小液滴的静态和动态非润湿行为研究,进而研究表面的结冰延迟性能、冰层附着力、抗结霜冰冻能力以及低温条件下的撞击行为,最后利用冰风洞试验研究超微小液滴撞击多级结构表面的实际防覆冰能力,以期探究超疏水防冰表面在飞机主动防结冰领域的应用潜能。论文的主要工作及结论如下:1)基于超疏水表面改性技术,采用化学刻蚀工艺构筑了优异的纳米结构表面,经氟硅烷(FAS-17)修饰处理后,研究化学刻蚀工艺参数对表面形貌和疏水性能的影响。结果显示:当NaOH的浓度为0.05M,碱刻蚀时间为5min,沸水浴时间为40min时,表面均匀分布着纳米片,尺寸约为100nm,展示出优异的超疏水性,接触角高达169°,滚动角接近6°。2)结合光刻技术和最佳刻蚀工艺,在铝合金表面构筑一层微米阵列复合结构,并在阵列上生长一层均匀的纳米片结构,经FAS-17氟化修饰处理后,研究这种微纳米阵列复合结构的非润湿性、接触弹跳、结冰延迟性能和防冰抗霜性能。发现较单级结构表面,微纳米阵列复合结构具有更高的非润湿性,接触角高达173°,滚动角小至4.5°,接触角滞后降到1.71°,弹跳接触时间短到10ms,结冰延迟时间相对基体延长超过10倍,表面冰层附着力大幅度减小至75KPa,表现出优异的低温斥水性和防冰抗霜能力。3)采用喷砂工艺和最佳刻蚀工艺,在铝合金表面构筑微纳米二级结构,经FAS-17氟化修饰处理后,研究发现常温下微小液滴在微纳米二级表面拥有优异的非润湿性和弹跳行为,接触时间短至5.6ms,但随着温度的不断降低,接触时间随之延长,最终由于温度过低(-20°C),表面液滴的粘滞阻力太大而不能弹起。另外,微纳米二级结构超疏水表面具有良好的结冰延迟性能和防结冰附着能力,结冰延迟达到769s,附着力强度减小至100.4KPa。随后利用风洞试验研究微纳米二级结构表面的实际防覆冰能力,结果发现在超微小液滴的撞击下,单级的纳米片结构表面比微纳米二级结构表现出较好的防冰性能,结冰区域小到一半,冰层附着量减少26g。这主要是因为微纳米二级结构超疏水表面可以阻止直径大于2mm的实验液滴或者静态液滴下的渗透,但在冰风洞环境下却不能有效阻止超微小液滴的积冰富集。
【学位授予单位】：南京航空航天大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TG174.4
【图文】：
铝合金多级结构表面的构筑与防冰性能研究实际上过冷液滴结冰是飞机最常见的形式，由于空气中存在相当强烈的对流气流，使得气中存在较大范围的过冷水滴分散区域，一般发生在 0°C 至-40°C 之间，形成的冰层与飞机体表面具有较高的附着力。根据冰块结构、种类和形状主要分为三种：明冰、霜冰及毛冰[4-6如图所示 1.1 所示。明冰：形成于-18°C ~0°C 的云层，由较大的水滴或冻雨凝结而成，透明无色光滑，组织密，一般不含气泡，法向附着力大，难以脱落，不易发现，严重破坏飞机的气动外形，故最险。霜冰：形成于-40°C ~-10°C 的云层，由非常小的水滴撞击飞机表面立即冻结而成，色泽乳白色，表面粗糙，组织松散，含有大量气泡，附着力差，易脱落，通常出现在机翼前缘或柱表面。毛冰：形成温度为-20°C~-10°C，形成过程大小过冷水滴并存，结冰前部具有明冰特性，部具有霜冰特性，粗糙不平，十分牢固，对飞机外形破坏较大。
如图1.2 所示，结冰对飞机的影响主要表现在四个方面：气动特性、操纵性、稳定性、升降特性[8-10]。（1）结冰对气动特性的影响结冰主要影响飞行的气动外形，形成的粗糙度会使边界层提前转捩，促使气流提早分离，使临界迎角下降。而且流场的变化会恶化翼面的升阻比，使阻力增加，升力减小，失速速度提高，改变俯仰力矩，破坏稳定性。2
图 1.3 常见飞机防除冰技术尽管传统飞机防除冰技术应用广泛，在一定程度上具有良好的除冰效果。然而在低温候环境下，一旦过冷液滴撞击飞机表面后迅速凝固，附着力较大，短时外部除融冰根时迫使其完全脱离，因而不能从根源处阻止冰层形成。另外，外部除冰装置一定程度身负重和制造成本，影响飞机气动性能的稳定，存在能耗高，除冰液多，除冰效率低。这些与当代倡导的“绿色环保、高效节能、轻量化”的航空可持续发展理念相违背。传统除冰方法存在的一些问题，亟待开发一种新型的主动防冰技术。超疏水表面技术材料表面的结构形貌和化学成分来迫使水滴无法在表面聚集，从根源上解决过冷液滴着现象。超疏水防冰表面具有污染小、能耗低、轻巧的优点, 俨然已经成为当下飞机领域的热点课题。 超疏水表面研究1 自然界中超疏水现象自然界中很多植物和昆虫存在极好的非润湿特性，例如玫瑰花瓣、水黾腿部、蚊子眼睛普遍表现出高的疏水性能，能够使液滴在表面自由滚落。20 世纪 90 年代，两名德国
本文编号：2771967
【学位授予单位】：南京航空航天大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TG174.4
【图文】：
铝合金多级结构表面的构筑与防冰性能研究实际上过冷液滴结冰是飞机最常见的形式，由于空气中存在相当强烈的对流气流，使得气中存在较大范围的过冷水滴分散区域，一般发生在 0°C 至-40°C 之间，形成的冰层与飞机体表面具有较高的附着力。根据冰块结构、种类和形状主要分为三种：明冰、霜冰及毛冰[4-6如图所示 1.1 所示。明冰：形成于-18°C ~0°C 的云层，由较大的水滴或冻雨凝结而成，透明无色光滑，组织密，一般不含气泡，法向附着力大，难以脱落，不易发现，严重破坏飞机的气动外形，故最险。霜冰：形成于-40°C ~-10°C 的云层，由非常小的水滴撞击飞机表面立即冻结而成，色泽乳白色，表面粗糙，组织松散，含有大量气泡，附着力差，易脱落，通常出现在机翼前缘或柱表面。毛冰：形成温度为-20°C~-10°C，形成过程大小过冷水滴并存，结冰前部具有明冰特性，部具有霜冰特性，粗糙不平，十分牢固，对飞机外形破坏较大。
如图1.2 所示，结冰对飞机的影响主要表现在四个方面：气动特性、操纵性、稳定性、升降特性[8-10]。（1）结冰对气动特性的影响结冰主要影响飞行的气动外形，形成的粗糙度会使边界层提前转捩，促使气流提早分离，使临界迎角下降。而且流场的变化会恶化翼面的升阻比，使阻力增加，升力减小，失速速度提高，改变俯仰力矩，破坏稳定性。2
图 1.3 常见飞机防除冰技术尽管传统飞机防除冰技术应用广泛，在一定程度上具有良好的除冰效果。然而在低温候环境下，一旦过冷液滴撞击飞机表面后迅速凝固，附着力较大，短时外部除融冰根时迫使其完全脱离，因而不能从根源处阻止冰层形成。另外，外部除冰装置一定程度身负重和制造成本，影响飞机气动性能的稳定，存在能耗高，除冰液多，除冰效率低。这些与当代倡导的“绿色环保、高效节能、轻量化”的航空可持续发展理念相违背。传统除冰方法存在的一些问题，亟待开发一种新型的主动防冰技术。超疏水表面技术材料表面的结构形貌和化学成分来迫使水滴无法在表面聚集，从根源上解决过冷液滴着现象。超疏水防冰表面具有污染小、能耗低、轻巧的优点, 俨然已经成为当下飞机领域的热点课题。 超疏水表面研究1 自然界中超疏水现象自然界中很多植物和昆虫存在极好的非润湿特性，例如玫瑰花瓣、水黾腿部、蚊子眼睛普遍表现出高的疏水性能，能够使液滴在表面自由滚落。20 世纪 90 年代，两名德国
【参考文献】
相关博士学位论文 前1条
1 龚正;先进飞行器非定常气动力建模、控制律设计及验证方法研究[D];南京航空航天大学;2011年
本文编号：2771967
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