一種表面疏水防冰的裝置的制造方法
【專利摘要】本申請(qǐng)公開了一種表面疏水防冰的裝置，包括：硅片；所述硅片的表面設(shè)置有硅柱陣列；所述硅柱陣列的表面和間隔位置分布有黑硅。本申請(qǐng)?zhí)峁┑纳鲜霰砻媸杷辣难b置，由于所述硅片的表面設(shè)置有硅柱陣列。所述硅柱陣列的表面和間隔位置分布有黑硅，這就成為一種類二級(jí)微納結(jié)構(gòu)，在減小固體表面粘附性方面具有優(yōu)異的效果，加工工藝簡(jiǎn)單，能夠簡(jiǎn)化疏水防冰結(jié)構(gòu)的形成過(guò)程，而且成本低，效率高。
【專利說(shuō)明】
一種表面疏水防冰的裝置
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明屬于飛行器發(fā)動(dòng)機(jī)預(yù)冷技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及一種表面疏水防冰的裝置。 【背景技術(shù)】
[0002]隨著臨近空間飛行器和航天飛機(jī)技術(shù)的發(fā)展，預(yù)冷型組合循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)在單級(jí)入軌和兩級(jí)入軌可重復(fù)使用飛行器中的應(yīng)用越來(lái)越廣泛。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)工作在吸氣模式時(shí)，來(lái)流在被壓縮進(jìn)入燃燒室之前需要進(jìn)行有效地預(yù)冷，以降低發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)能耗并確保壓縮空氣以適宜的溫度進(jìn)入燃燒室，從而實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)高推重比和高比沖，提高發(fā)動(dòng)機(jī)整體性能。而如果預(yù)冷器表面結(jié)冰，就會(huì)增加總壓損失和氣流畸變，并堵塞氣流通道，因此，對(duì)于空氣深度預(yù)冷型發(fā)動(dòng)機(jī)，如何表面防冰是預(yù)冷器設(shè)計(jì)的一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題。目前國(guó)外的預(yù)冷裝置表面防冰的一種裝置是通過(guò)在預(yù)冷器前增加液氧噴注系統(tǒng)，液氧(溫度大約為55K)首先將空氣冷卻至 240K，將水蒸氣從空氣中分離出來(lái)，還有一種裝置是通過(guò)向空氣來(lái)流中噴注低溫流體(如液氮和液氧)或者特定的冷凝氣體(如甲醇)，將空氣中的水蒸汽冷凝并排出。然而，這兩種裝置普遍存在能耗大、污染嚴(yán)重或增加負(fù)載等問(wèn)題。
[0003]近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外針對(duì)不同疏水表面的防冰特性開展了一系列實(shí)驗(yàn)研究。以方體周期單元為對(duì)象，研究了具備周期結(jié)構(gòu)的疏水表面對(duì)冰粘附強(qiáng)度的影響，對(duì)比了二級(jí)微納復(fù)合結(jié)構(gòu)、一級(jí)微米結(jié)構(gòu)和光滑硅片表面上冰粘附力大小，結(jié)果表明二級(jí)微納結(jié)構(gòu)的冰粘附力最小，其次是一級(jí)微米結(jié)構(gòu)，最后是光滑表面，此外，對(duì)于二級(jí)微納結(jié)構(gòu)，其間隔越小，冰粘附力越小，且無(wú)論其間隔如何改變，冰粘附強(qiáng)度總是優(yōu)于另外兩種固體表面;現(xiàn)有技術(shù)中一種裝置是在聚乙烯構(gòu)成的一級(jí)微米表面用納米級(jí)氧化鋅進(jìn)行修飾構(gòu)成微納復(fù)合結(jié)構(gòu)，對(duì)這種復(fù)合結(jié)構(gòu)的防霧和延緩結(jié)冰時(shí)間等特性進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)-5 °C時(shí)，在有微風(fēng)吹過(guò)的條件下，復(fù)合結(jié)構(gòu)表面直到1600s才開始沾水，體現(xiàn)了其良好的疏水性;_10°C時(shí)，直到 7360s才完全結(jié)冰，有效延緩了結(jié)冰時(shí)間。雖然這種二級(jí)微納結(jié)構(gòu)在減小固體表面粘附性方面效果最好，但是加工這種滿足一定尺寸形狀要求的二級(jí)微納結(jié)構(gòu)表面非常復(fù)雜、成本高， 導(dǎo)致其實(shí)用性不強(qiáng)。
【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]為解決上述問(wèn)題，本發(fā)明提供了一種表面疏水防冰的裝置，在減小固體表面粘附性方面具有優(yōu)異的效果，加工工藝簡(jiǎn)單，能夠簡(jiǎn)化疏水防冰結(jié)構(gòu)的形成過(guò)程，而且成本低，效率高。
[0005]本發(fā)明提供的一種表面疏水防冰的裝置，包括:
[0006]硅片；
[0007]所述娃片的表面設(shè)置有娃柱陣列；
[0008]所述硅柱陣列的表面和間隔位置分布有黑硅。
[0009]優(yōu)選的，在上述表面疏水防冰的裝置中，[〇〇1〇]所述硅柱陣列為方形排列或三角形排列的硅柱陣列。
[0011]優(yōu)選的，在上述表面疏水防冰的裝置中，
[0012]所述硅柱陣列為具有長(zhǎng)方體形狀或圓柱體形狀的硅柱陣列。
[0013]優(yōu)選的，在上述表面疏水防冰的裝置中，
[0014]所述硅柱陣列為:
[0015]截面邊長(zhǎng)為10微米至14微米且邊緣間距為28微米至32微米的長(zhǎng)方體硅柱陣列，或者截面直徑為10微米至14微米且邊緣間距為28微米至32微米的圓柱體硅柱陣列。
[0016]優(yōu)選的，在上述表面疏水防冰的裝置中，[〇〇17] 所述硅柱陣列為:[〇〇18]三角形排列的截面直徑為10微米至14微米且邊緣間距為46微米至50微米的圓柱體形狀的硅柱陣列。
[0019]優(yōu)選的，在上述表面疏水防冰的裝置中，
[0020]所述硅柱陣列為:
[0021]高度范圍為42微米至56微米的硅柱陣列。
[0022]通過(guò)上述描述可知，本發(fā)明提供的上述表面疏水防冰的裝置，由于所述硅片的表面設(shè)置有硅柱陣列。所述硅柱陣列的表面和間隔位置分布有黑硅，這就成為一種類二級(jí)微納結(jié)構(gòu)，在減小固體表面粘附性方面具有優(yōu)異的效果，加工工藝簡(jiǎn)單，能夠簡(jiǎn)化疏水防冰結(jié)構(gòu)的形成過(guò)程，而且成本低，效率高?！靖綀D說(shuō)明】
[0023]為了更清楚地說(shuō)明本發(fā)明實(shí)施例或現(xiàn)有技術(shù)中的技術(shù)方案，下面將對(duì)實(shí)施例或現(xiàn)有技術(shù)描述中所需要使用的附圖作簡(jiǎn)單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發(fā)明的實(shí)施例，對(duì)于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來(lái)講，在不付出創(chuàng)造性勞動(dòng)的前提下，還可以根據(jù)提供的附圖獲得其他的附圖。
[0024]圖1為本申請(qǐng)實(shí)施例提供的第一種表面疏水防冰的裝置的示意圖；[〇〇25]圖2為三角形排列的硅柱陣列的示意圖；
[0026]圖3為方形排列的硅柱陣列的示意圖?！揪唧w實(shí)施方式】
[0027]本發(fā)明的核心思想在于提供一種表面疏水防冰的裝置，在減小固體表面粘附性方面具有優(yōu)異的效果，加工工藝簡(jiǎn)單，能夠簡(jiǎn)化疏水防冰結(jié)構(gòu)的形成過(guò)程，而且成本低，效率尚。
[0028]下面將結(jié)合本發(fā)明實(shí)施例中的附圖，對(duì)本發(fā)明實(shí)施例中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實(shí)施例僅僅是本發(fā)明一部分實(shí)施例，而不是全部的實(shí)施例。基于本發(fā)明中的實(shí)施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒(méi)有做出創(chuàng)造性勞動(dòng)前提下所獲得的所有其他實(shí)施例，都屬于本發(fā)明保護(hù)的范圍。[〇〇29]本申請(qǐng)實(shí)施例提供的第一種表面疏水防冰的裝置如圖1所示，圖1為本申請(qǐng)實(shí)施例提供的第一種表面疏水防冰的裝置的示意圖。該表面疏水防冰的裝置包括:
[0030]硅片 1;
[0031]所述硅片可以是經(jīng)過(guò)拋光之后的硅片，尺寸可以是4英寸，但也可以是其他尺寸，此處并不做限制，由于硅片是一種常見的半導(dǎo)體部件，而且刻蝕等工藝技術(shù)成熟，因此本實(shí)施例選用硅片作為基底。
[0032]所述硅片1的表面設(shè)置有硅柱陣列2;
[0033]具體的，可以通過(guò)如下工藝制作出該硅柱陣列:先在所述硅片的表面涂光刻膠，以 4英寸硅片為例，準(zhǔn)備4英寸的單晶硅片，然后在硅片上勻膠，光刻膠厚度可以設(shè)置為1.7m; 然后在所述光刻膠上部設(shè)置掩膜版，并對(duì)所述光刻膠進(jìn)行光刻和顯影，形成掩膜圖形，具體的，可以用MA6型紫外光刻機(jī)進(jìn)行光刻，顯影后在該硅片上形成各種規(guī)格的掩膜圖形;再對(duì)形成掩膜圖形之后的所述硅片進(jìn)行刻蝕，形成硅柱陣列，具體的，可以用感應(yīng)耦合等離子體刻蝕設(shè)備進(jìn)行刻蝕;最后去除所述光刻膠并清洗，具體的，可以用丙酮+異丙醇(IPA)去除光刻膠并進(jìn)行清洗，得到相應(yīng)規(guī)格的周期陣列，然后可以用Disco劃片機(jī)將硅片切割成1.5cm* 1.5cm的小片，對(duì)應(yīng)每種規(guī)格的掩膜圖形。
[0034]所述硅柱陣列2的表面和間隔位置分布有黑硅3。
[0035]具體的，可以將具有所述硅柱陣列的硅片放入感應(yīng)耦合等離子體刻蝕設(shè)備中進(jìn)行刻蝕，在所述硅柱陣列的表面和間隔位置形成黑硅。黑硅是一種在離子反應(yīng)刻蝕硅片過(guò)程中得到的副產(chǎn)物，表面為具有一定分布密度的微米級(jí)結(jié)構(gòu)，也是一種粗糙表面，在清洗黑硅的過(guò)程中發(fā)現(xiàn)其具有不沾水的特性，因此該實(shí)施例在考察黑硅疏水性能和防冰特性的前提下，將10微米以上的一級(jí)硅柱和密度為0.5微米至1.5微米且高度為5微米至10微米的黑硅結(jié)合制備一種類二級(jí)結(jié)構(gòu)，這種類二級(jí)結(jié)構(gòu)是在大尺度微米級(jí)硅柱陣列的表面和間隙中分布有小尺度微米級(jí)的黑硅。由于黑硅表面是疏水的，而在一級(jí)微米級(jí)結(jié)構(gòu)上添加更小微尺度的黑硅得到類二級(jí)結(jié)構(gòu)后，其疏水性得到進(jìn)一步提高，接觸角全部在135°以上，最大達(dá)到 146.645°;在不同溫度下，測(cè)試了類二級(jí)結(jié)構(gòu)黑硅與普通硅片表面上液滴凍結(jié)時(shí)的厚度變化情況，可知類二級(jí)結(jié)構(gòu)的黑硅相比普通硅片具有較好的防結(jié)冰特性；另外，表面溫度為_ 12°C時(shí)，將黑硅、類二級(jí)結(jié)構(gòu)的黑硅與普通拋光硅片霜層厚度比較可知:在測(cè)試時(shí)間內(nèi)，普通娃片的霜厚為2.148mm，黑娃和類二級(jí)結(jié)構(gòu)的黑娃分別為1.798mm和1.766mm，這就體現(xiàn)了類二級(jí)結(jié)構(gòu)的黑硅具有抑制霜層生長(zhǎng)的效果。綜上可知，該類二級(jí)結(jié)構(gòu)具有較好的疏水性能和延緩表面結(jié)冰結(jié)霜的特性。
[0036]通過(guò)上述描述可知，本申請(qǐng)實(shí)施例提供的上述第一種表面疏水防冰的裝置，由于所述硅片的表面設(shè)置有硅柱陣列。所述硅柱陣列的表面和間隔位置分布有黑硅，這就成為一種類二級(jí)微納結(jié)構(gòu)，在減小固體表面粘附性方面具有優(yōu)異的效果，加工工藝簡(jiǎn)單，能夠簡(jiǎn)化疏水防冰結(jié)構(gòu)的形成過(guò)程，而且成本低，效率高。
[0037]本申請(qǐng)實(shí)施例還提供了第二種表面疏水防冰的裝置，是在上述第一種表面疏水防冰的裝置的基礎(chǔ)上，所述硅柱陣列為方形排列或三角形排列的硅柱陣列。其中，三角形排列的硅柱陣列如圖2所示，圖2為三角形排列的硅柱陣列的示意圖，方形排列的硅柱陣列如圖3 所示，圖3為方形排列的硅柱陣列的示意圖。當(dāng)然這兩種排列方式僅僅是優(yōu)選方式，還可以設(shè)置其他方式，此處并不做限制。
[0038]本申請(qǐng)實(shí)施例還提供了第三種表面疏水防冰的裝置，是在上述第二種表面疏水防冰的裝置的基礎(chǔ)上，所述硅柱陣列為具有長(zhǎng)方體形狀或圓柱體形狀的硅柱陣列。需要說(shuō)明的是，利用不同的掩膜版就能夠制作不同形狀的硅柱陣列。
[0039]本申請(qǐng)實(shí)施例還提供了第四種表面疏水防冰的裝置，是在上述第二種表面疏水防冰的裝置的基礎(chǔ)上，所述硅柱陣列為:
[0040]截面邊長(zhǎng)為10微米至14微米且邊緣間距為28微米至32微米的長(zhǎng)方體硅柱陣列，或者截面直徑為10微米至14微米且邊緣間距為28微米至32微米的圓柱體硅柱陣列。利用具有這些尺寸和間距的硅柱陣列，能夠使得疏水防冰效果更好。
[0041]本申請(qǐng)實(shí)施例還提供了第五種表面疏水防冰的裝置，是在上述第三種表面疏水防冰的裝置的基礎(chǔ)上，所述硅柱陣列為:[〇〇42]三角形排列的截面直徑為10微米至14微米且邊緣間距為46微米至50微米的圓柱體形狀的硅柱陣列。利用具有這種尺寸范圍的硅柱陣列能夠起到更好的疏水防冰效果。
[0043]本申請(qǐng)實(shí)施例還提供了第六種表面疏水防冰的裝置，是在上述任一種表面疏水防冰的裝置的基礎(chǔ)上，所述硅柱陣列為:
[0044]高度范圍為42微米至56微米的硅柱陣列。這種高度范圍的硅柱陣列是經(jīng)過(guò)多次試驗(yàn)后得到的優(yōu)選方案，不僅能夠保證硅柱陣列具有一定的穩(wěn)定性，以保證不會(huì)倒塌，也保證其與黑硅配合之后形成的類二級(jí)結(jié)構(gòu)具有更好的疏水防冰性能。
[0045]通過(guò)上述描述可知，本申請(qǐng)實(shí)施例提供的上述各種表面疏水防冰的裝置，具有類二級(jí)微納結(jié)構(gòu)，在減小固體表面粘附性方面具有優(yōu)異的效果，加工工藝簡(jiǎn)單，能夠簡(jiǎn)化疏水防冰的形成過(guò)程，而且成本低，效率高。
[0046]對(duì)所公開的實(shí)施例的上述說(shuō)明，使本領(lǐng)域?qū)I(yè)技術(shù)人員能夠?qū)崿F(xiàn)或使用本發(fā)明。 對(duì)這些實(shí)施例的多種修改對(duì)本領(lǐng)域的專業(yè)技術(shù)人員來(lái)說(shuō)將是顯而易見的，本文中所定義的一般原理可以在不脫離本發(fā)明的精神或范圍的情況下，在其它實(shí)施例中實(shí)現(xiàn)。因此，本發(fā)明將不會(huì)被限制于本文所示的這些實(shí)施例，而是要符合與本文所公開的原理和新穎特點(diǎn)相一致的最寬的范圍。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種表面疏水防冰的裝置，其特征在于，包括:娃片；所述硅片的表面設(shè)置有硅柱陣列；所述硅柱陣列的表面和間隔位置分布有黑硅。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的表面疏水防冰的裝置，其特征在于，所述硅柱陣列為方形排列或三角形排列的硅柱陣列。3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的表面疏水防冰的裝置，其特征在于，所述硅柱陣列為具有長(zhǎng)方體形狀或圓柱體形狀的硅柱陣列。4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的表面疏水防冰的裝置，其特征在于，所述硅柱陣列為:截面邊長(zhǎng)為10微米至14微米且邊緣間距為28微米至32微米的長(zhǎng)方體硅柱陣列，或者截 面直徑為10微米至14微米且邊緣間距為28微米至32微米的圓柱體硅柱陣列。5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的表面疏水防冰的裝置，其特征在于，所述硅柱陣列為:三角形排列的截面直徑為10微米至14微米且邊緣間距為46微米至50微米的圓柱體形 狀的硅柱陣列。6.根據(jù)權(quán)利要求1-5任一項(xiàng)所述的表面疏水防冰的裝置，其特征在于，所述硅柱陣列為:高度范圍為42微米至56微米的硅柱陣列。
【文檔編號(hào)】B81B7/04GK106006537SQ201610350207
【公開日】2016年10月12日
【申請(qǐng)日】2016年5月24日
【發(fā)明人】岳曉菲, 汪元, 劉衛(wèi)東, 王振國(guó)
【申請(qǐng)人】中國(guó)人民解放軍國(guó)防科學(xué)技術(shù)大學(xué)