本發(fā)明涉及一種表面改性技術領域的功能涂層制備，尤其涉及的是一種用于防冰的三級結(jié)構(gòu)超疏水表面及其構(gòu)建方法。

背景技術：

據(jù)美國聯(lián)邦航空局綜合分析，每年因飛機結(jié)冰而導致的航空事故有近30起，嚴重威脅著人類生命安全，飛機結(jié)冰后不僅氣動性能下降，同時還會使發(fā)動機的功率下降和外部傳感器設備失靈，這些都將導致飛機失衡和主要系統(tǒng)提供的數(shù)據(jù)不準確，飛機的速度和高度可能會因此被扭曲，求助通訊系統(tǒng)癱瘓等飛機異常情況的發(fā)生。

傳統(tǒng)的飛機防冰方法大多是基于除冰、融冰思路，利用外部裝置依靠熱量、與防冰液混合、機械振動等手段去除表面覆蓋的冰層。然而，這些方法不能從根本上解決問題，且以大量能耗為代價，除冰裝置的設計還增加了一定的技術及制造成本。據(jù)美國軍事專家分析，飛機中由于防冰裝置的設計與制造，使飛機制造成本增加了20％-25％。并且這種依靠外部裝置除冰的方法還不能夠徹底解決飛機結(jié)冰問題，對飛機的安全駕駛?cè)匀皇且粋€潛在的威脅。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明針對現(xiàn)有技術在超疏水表面減少撞擊液滴接觸時間上的研究不足，設計構(gòu)建一種具有宏觀結(jié)構(gòu)的三級超疏水表面，迫使液滴撞擊表面時候，破裂分開，從而減少撞擊液滴與超疏水表面的接觸時間。本發(fā)明利用數(shù)控銑削技術及微納米結(jié)構(gòu)制備技術在鈦合金表面形成具有三級結(jié)構(gòu)的新型超疏水表面，有效地防止飛機表面結(jié)冰，實現(xiàn)高效、清潔、低成本的飛機防冰技術。

技術方案：

一種用于防冰的三級結(jié)構(gòu)超疏水表面的制備方法，包括以下步驟：

1)在鈦及鈦合金基體表面利用銑床銑削加工出一級宏觀結(jié)構(gòu)紋理；

2)將步驟1)所獲得的帶有一級宏觀結(jié)構(gòu)紋理的鈦或鈦合金基體材料，在噴砂作用下處理一定時間，形成二級微米粗糙結(jié)構(gòu)；

3)將步驟2)所獲得的帶有一級宏觀結(jié)構(gòu)紋理和二級微米粗糙結(jié)構(gòu)表面的鈦或鈦合金進行除油清洗處理；

4)將步驟3)所得到的帶有一級宏觀結(jié)構(gòu)紋理和二級微米粗糙結(jié)構(gòu)表面的鈦或鈦合金置于帶有一定體積反應液的聚四氟乙烯反應釜中，利用水熱處理技術在其表面生長一層三級納米結(jié)構(gòu)；

5)將步驟4)所得到的帶有三級結(jié)構(gòu)的鈦或鈦合金置于一定濃度的十七氟硅烷(FAS-17)乙醇溶液中，進行氟化修飾處理獲得超疏水表面。

所述的用于防冰的三級結(jié)構(gòu)超疏水表面的制備方法，步驟1)中，一級宏觀結(jié)構(gòu)紋理指的是：截面呈包括三角形、正弦波形在內(nèi)的類似形狀的脊結(jié)構(gòu)，尺寸大小屬于毫米范圍。

所述的用于防冰的三級結(jié)構(gòu)超疏水表面的制備方法，步驟2)中，二級微米粗糙結(jié)構(gòu)指的是：形狀為丘陵狀的凹凸結(jié)構(gòu)或者規(guī)則形狀陣列結(jié)構(gòu)，尺寸范圍屬于微米級。

所述的用于防冰的三級結(jié)構(gòu)超疏水表面的制備方法，包括：步驟4)中，所述三級納米結(jié)構(gòu)指的是二氧化鈦納米線結(jié)構(gòu)。

所述的用于防冰的三級結(jié)構(gòu)超疏水表面的制備方法，步驟2)中，針對10mm×10mm大小的處理面積，噴砂處理的工藝參數(shù)為：在壓強0.5～2.5MPa、80～300目氧化鋁顆粒噴砂條件下處理5～40s，直至表面微米結(jié)構(gòu)一致均勻，且微米結(jié)構(gòu)尺寸為10～100μm。

所述的用于防冰的三級結(jié)構(gòu)超疏水表面的制備方法，步驟4)中，水熱處理生長二氧化鈦納米線結(jié)構(gòu)的過程為：將步驟3)所得帶有一級宏觀結(jié)構(gòu)紋理和二級微米粗糙結(jié)構(gòu)的鈦或者鈦合金置于聚四氟乙烯反應釜內(nèi)襯中，并加入反應液，在160～240℃條件下反應1.5～24h獲得納米線結(jié)構(gòu)。隨后將獲得的樣品在去離子水中清洗干凈，并在1M HCl溶液中離子交換反應10～30min，再次用去離子水沖洗干凈后，在450～550℃空氣爐中退火晶化處理2～6h，空氣爐升溫速率為1～5℃/min，最后得到二氧化鈦納米線結(jié)構(gòu)；

所述的用于防冰的三級結(jié)構(gòu)超疏水表面的制備方法，所述的水熱處理生長二氧化鈦納米線用的反應液為：0.5～1.5M的NaOH溶液。

所述的用于防冰的三級結(jié)構(gòu)超疏水表面的制備方法，步驟5)中，帶有三級結(jié)構(gòu)的鈦或鈦合金的氟化處理過程為：將步驟4)獲得的樣品置于1wt％-4wt％FAS-17乙醇溶液中，浸漬處理12～36h后，將樣品在60～180℃烘箱中，干燥處理1～4h，獲得三級結(jié)構(gòu)超疏水表面。

根據(jù)任一所述的方法獲得的三級結(jié)構(gòu)超疏水表面，能夠減少撞擊液滴與超疏水表面的接觸時間。

本發(fā)明中，提出的用于飛機防冰的新型三級結(jié)構(gòu)超疏水表面及其制備方法，具有工藝簡單可控、成本低廉等有點，制備出的三級結(jié)構(gòu)超疏水表面因其改變動態(tài)撞擊液滴的流體力學行為，導致撞擊液滴的收縮過程和鋪展過程同時發(fā)生，而具有較高的動態(tài)液滴斥水能力，撞擊液滴在其表面的反彈接觸時間僅有7.6ms，可應用航空飛機結(jié)冰防護、日常用品防水處理等領域。

本發(fā)明提供的用于防冰的新型三級結(jié)構(gòu)超疏水表面及其制備方法具有以下特點：

1)用于防冰的新型三級結(jié)構(gòu)超疏水表面的制備方法具有工藝簡單、成本低廉、涉及到的化學反應條件溫和易于工業(yè)化生產(chǎn)。

2)制備的新型三級結(jié)構(gòu)超疏水表面具有較高的動態(tài)斥水性能，撞擊液滴在其表面的反彈接觸時間僅為7.6ms。

3)制備的新型三級結(jié)構(gòu)超疏水表面與基體之間具有較高的結(jié)合力，不易脫落。

4)本發(fā)明得到的新型三級結(jié)構(gòu)超疏水表面均勻，性能較為穩(wěn)定。

附圖說明

圖1為本發(fā)明中提到的一級宏觀結(jié)構(gòu)的形狀與尺寸示意圖；

圖2為本發(fā)明工藝流程圖；

具體實施方式

為了對本發(fā)明的技術特征、目的和有益結(jié)果有更加清楚的理解和認識，現(xiàn)對本發(fā)明的技術方案進行以下詳細說明，但不能理解為對本發(fā)明的可實施范圍的限定。

實施例1

本發(fā)明的用于防冰的新型三級結(jié)構(gòu)超疏水表面的制備方法如下：

第一步，以Ti6Al4V鈦合金為基體材料，利用線切割機床加工成長50mm×寬50mm×厚2mm的片狀試樣，隨后利用銑床銑削加工出一級宏觀結(jié)構(gòu)紋理：其截面為底邊長0.6mm，高為0.5mm的三角形脊結(jié)構(gòu)，脊結(jié)構(gòu)頂端為0.2mm的倒角，各條脊結(jié)構(gòu)之間距離為2mm，如附圖1所示；

第二步，將第一步所獲得的帶有一級宏觀結(jié)構(gòu)紋理的鈦或鈦合金基體材料，在壓強0.5MPa、150目氧化鋁顆粒噴砂條件下處理20s，獲得表面一致均勻的微米結(jié)構(gòu)，且微米結(jié)構(gòu)尺寸約為50μm；

第三步，將第二步所獲得帶有一級宏觀結(jié)構(gòu)紋理和二級微米粗糙結(jié)構(gòu)表面的鈦或鈦合金材料，依次用丙酮、無水乙醇以及去離子水超聲清洗10min，晾干待用；

第四步，配置1M的NaOH反應溶液，并加入到反應釜聚四氟乙烯的內(nèi)襯中，隨后將第三步所得帶有一級宏觀結(jié)構(gòu)紋理和二級微米粗糙結(jié)構(gòu)的鈦或鈦合金置于聚四氟乙烯反應釜內(nèi)襯中，在200℃條件下反應8h獲得納米線結(jié)構(gòu)。隨后將獲得的樣品在去離子水中清洗干凈，并在1M HCl溶液中離子交換反應30min，再次用去離子水沖洗干凈后，在500℃(升溫速率為2℃/min)空氣爐中退火晶化處理3h，最后得到二氧化鈦納米線結(jié)構(gòu)；

第五步，將第四步所得到的帶有三級結(jié)構(gòu)的鈦或鈦合金置于1wt％FAS-17乙醇溶液中，浸漬24h后在120℃的烘箱中烘干處理2h獲得三級結(jié)構(gòu)超疏水表面。

依照上述實施步驟制備的三級結(jié)構(gòu)超疏水表面具有較高的超疏水性能，接觸角達到了160°，撞擊液滴在其表面的反彈接觸時間僅為7.6ms，表現(xiàn)出較高的動態(tài)斥水性能。

實施例2

本發(fā)明的用于防冰的新型三級結(jié)構(gòu)超疏水表面的制備方法如下：

第一步，以Ti6Al4V鈦合金為基體材料，利用線切割機床加工成50mm×50mm×2mm的片狀試樣，隨后利用銑床銑削加工出一級宏觀結(jié)構(gòu)紋理如附圖1所示；

第二步，將第一步所獲得的帶有一級宏觀結(jié)構(gòu)紋理的鈦或鈦合金基體材料，在壓強1MPa、80目氧化鋁顆粒噴砂條件下處理10s，獲得表面一致均勻的微米結(jié)構(gòu)，且微米結(jié)構(gòu)尺寸約為70μm；

第三步，將第二步所獲得帶有一級宏觀結(jié)構(gòu)紋理和二級微米粗糙結(jié)構(gòu)表面的鈦或鈦合金材料，依次用丙酮、無水乙醇以及去離子水超聲清洗10min，晾干待用；

第四步，配置2M的NaOH反應溶液，并加入到反應釜聚四氟乙烯的內(nèi)襯中，隨后將第三步所得帶有一級宏觀結(jié)構(gòu)紋理和二級微米粗糙結(jié)構(gòu)的鈦或鈦合金置于聚四氟乙烯反應釜內(nèi)襯中，在200℃條件下反應4h獲得納米線結(jié)構(gòu)。隨后將獲得的樣品在去離子水中清洗干凈，并在1M HCl溶液中離子交換反應30min，再次用去離子水沖洗干凈后，在450℃(升溫速率為5℃/min)空氣爐中退火晶化處理4h，最后得到二氧化鈦納米線結(jié)構(gòu)；

第五步，將第四步所得到的帶有三級結(jié)構(gòu)的鈦或鈦合金置于2wt％FAS-17乙醇溶液中，浸漬36h后在150℃的烘箱中烘干處理3h獲得三級結(jié)構(gòu)超疏水表面。

依照上述實施步驟制備的三級結(jié)構(gòu)超疏水表面具有較高的超疏水性能，接觸角達到了156°，撞擊液滴在其表面的反彈接觸時間僅為7.8ms，表現(xiàn)出較高的動態(tài)斥水性能。

實施例3

本發(fā)明的用于防冰的新型三級結(jié)構(gòu)超疏水表面的制備方法如下：

第一步，以Ti6Al4V鈦合金為基體材料，利用線切割機床加工成50mm×50mm×2mm的片狀試樣，隨后利用銑床銑削加工出一級宏觀結(jié)構(gòu)紋理如附圖1所示；

第二步，將第一步所獲得的帶有一級宏觀結(jié)構(gòu)紋理的鈦或鈦合金基體材料，在壓強2MPa、300目氧化鋁顆粒噴砂條件下處理30s，獲得表面一致均勻的微米結(jié)構(gòu)，且微米結(jié)構(gòu)尺寸約為30μm；

第三步，將第二步所獲得帶有一級宏觀結(jié)構(gòu)紋理和二級微米粗糙結(jié)構(gòu)表面的鈦或鈦合金材料，依次用丙酮、無水乙醇以及去離子水超聲清洗10min，晾干待用；

第四步，配置2.5M的NaOH反應溶液，并加入到反應釜聚四氟乙烯的內(nèi)襯中，隨后將第三步所得帶有一級宏觀結(jié)構(gòu)紋理和二級微米粗糙結(jié)構(gòu)的鈦或鈦合金置于聚四氟乙烯反應釜內(nèi)襯中，在180℃條件下反應10h獲得納米線結(jié)構(gòu)。隨后將獲得的樣品在去離子水中清洗干凈，并在1M HCl溶液中離子交換反應20min，再次用去離子水沖洗干凈后，在550℃(升溫速率為3℃/min)空氣爐中退火晶化處理2h，最后得到二氧化鈦納米線結(jié)構(gòu)；

第五步，將第四步所得到的帶有三級結(jié)構(gòu)的鈦或鈦合金置于4wt％FAS-17乙醇溶液中，浸漬12h后在800℃的烘箱中烘干處理5h獲得三級結(jié)構(gòu)超疏水表面。

依照上述實施步驟制備的三級結(jié)構(gòu)超疏水表面具有較高的超疏水性能，接觸角達到了158°，撞擊液滴在其表面的反彈接觸時間僅為7.8ms，表現(xiàn)出較高的動態(tài)斥水性能。

應當理解的是，對本領域普通技術人員來說，可以根據(jù)上述說明加以改進或變換，而所有這些改進和變換都應屬于本發(fā)明所附權(quán)利要求的保護范圍。