超疏水表面技术在发动机防冰部件中的应用

超疏水表面技术在发动机防冰部件中的应用 杨军;张靖周;郭文;刘华 【摘 要】The super-hydrophobic surface technique is applied to prevent the inlet windward components from icing,which has the important value in the engineering application. Through the introduction of the wettability models of contact angle and sliding angle and the microcosmic structure of the low surface ener⁃gy materials, the working principle of super-hydrophobic surface was expatiated. The preparation methods of super-hydrophobic coating surfaces and super-hydrophobic metal surfaces on the anti-icing components were summarized. The influence of the hydrophobic properties and thin ice properties of super-hydrophobic surface on anti-icing of the engine was analyzed. The application prospects of the super-hydrophobic sur⁃face technique in the anti-icing components were discussed. Problems about the application of super-hy⁃drophobic surfaces were brought forward. These provide a new idea and approach for aero-engine anti-ic⁃ing system design.% 超疏水表面技术对防止发动机进口迎风部件结冰具有重要的工程应用价值。通过介绍接触角、滚动角等润湿性模型及低表面能物质微观成分，阐述了超疏水表面的工作原理，及可用于发动机防冰部件的超疏水涂层表面和超疏水金属表面的制备方法；分析了超疏水表面具有的疏水性能和疏冰性能对发动机防冰的影响；展望了超疏水表面技术在发动机防冰部件的应用前景，并提出了应用超疏水表面技术防冰存在的问题，为研制新型、高效的发动机防冰系统提供了新的思路和途径。 【期刊名称】《燃气涡轮试验与研究》 【年(卷),期】2013(000)001 【总页数】5页(P58-62) 【关键词】航空发动机;防冰;超疏水表面;接触角;滚动角;低表面能物质 【作 者】杨军;张靖周;郭文;刘华 【作者单位】南京航空航天大学，江苏南京210016; 中国燃气涡轮研究院，四川成都610500;南京航空航天大学，江苏南京210016;中国燃气涡轮研究院，四川成都610500;中国燃气涡轮研究院，四川成都610500

【正文语种】中 文 【中图分类】V244.1+5 飞机在积冰气象条件下飞行时，发动机进口部件可能出现积冰现象。积冰对发动机的影响很大，轻则造成发动机功率降低，重则造成发动机毁损，引起飞行事故。为保证飞行安全，发动机进口部件需采取相应的防冰措施。如斯贝MK202发动机利用压气机热气对整流帽罩和进口叶片进行防冰，F135发动机采用电加热对前风扇机匣进行防冰。这些防冰措施结构复杂且耗能大，国外已开始采用在发动机易结冰部位制备超疏水表面的方法来起到被动防冰的作用。 天然的超疏水表面是生物在自然界长期进化的结果，最典型的代表是荷叶效应。随着仿生学的发展，20世纪50年代国外开始对超疏水表面进行理论研究，并在90年代得到快速发展和应用。近年来，特别是2008年南方冰灾后，超疏水表面成为国内研究的一个热点，许多新颖的制备材料和工艺得到不同程度的发展，其独特的超疏水功能不断得到验证和应用。本文介绍了超疏水表面的工作原理和制备方法，分析了超疏水表面的超疏水性能对发动机防冰的影响，可为发动机进口部件的防冰设计提供参考。 2.1 固体表面润湿性模型 表面润湿性是指当液体和固体表面接触时，液体可逐渐渗入或附着在固体表面的特性，由固体表面自由能和表面微观结构共同决定。一般可用液体在固体表面的接触角和滚动角的大小来衡量。 2.1.1 接触角模型 对于平整光滑的固体表面，其润湿性可用接触角来衡量。当固体表面水滴较少时，水滴形状取决于水滴大小及水滴与固体表面的接触角。若水滴的平均有效直径为微米级，甚至更小，则水滴的重力影响可忽略，此时水滴的形状接近于球帽形，如图1所示。水滴与固体表面的接触角取决于固体表面条件。若固体表面是理想表面(光滑、平坦、坚硬、均匀)，则固体、气体、液体界面间表面张力达到平衡时体系总能量趋于最小，这时接触角可用著名的Young氏模型[1]表示： 式中：γsv、γsl、γlv分别为单位面积固-气、固-液、液-气界面的表面张力；θ为气、固、液三相平衡时的接触角，也称理想表面接触角。当θ＞90°和θ＜90°时，固体表面分别表现为疏水性和亲水性；而θ＞150°和θ＜5°时，固体表面分别表现为超疏水性和超亲水性。由式(1)可看出，θ越大，γsl越大，固体表面自由能就越小。 Barthlott等[2]对荷叶表面进行研究，发现荷叶表面有柱状突起和蜡质涂层，认为荷叶表面的特殊润湿性能是微米级的柱状突起粗糙结构和疏水性蜡状物共同作用的结果。江雷[3]进一步研究发现，荷叶表面微米结构的乳突上还存在纳米结构，并认为这种微米结构与纳米结构相结合的阶层结构，是引起表面超疏水的根本原因。考虑到实际固体表面的粗糙度，Wenzel对Young氏模型进行了修正，提出了Wenzel模型[4]： 式中：r为固体表面粗糙度因子，即粗糙表面实际表面积与表观表面积之比；θ′为粗糙表面的实际接触角。 按照Wenzel的观点，粗糙表面的存在使得实际固体、液体接触面积要大于表观固体、液体接触面积。这是因为Wenzel假定液体会完全填满粗糙表面上的凹槽，如图2所示。可见r＞1，故对于亲水表面，θ′＜θ，即亲水表面在增加粗糙度后更加亲水；对于疏水表面，θ′＞θ，即疏水表面在增加粗糙度后更加疏水。 Cassie等[5]在研究自然界大量超疏水表面结构后认为，液滴与粗糙的疏水表面接触时，液滴不会完全填满粗糙表面上的凹槽，液滴下部有空气存在，表观上液体、固体接触，其实是一部分液滴与固体表面突起部分直接接触，另一部分液滴与凹槽下部的空气接触，如图3所示。并为此提出一种新模型——空气气穴模型[5]： 式中：f1和f2分别表示与液滴接触的固体表面、空气表面的面积分数(f1+f2=1)，θ1和θ2分别表示液滴与固体表面、空气表面的本征接触角。由于液滴与空气的接触角为180°，故式(3)可改写为： 由式(4)可看出，对于粗糙的疏水表面，固体表面的面积分数越小，空气气穴所占面积越大，表观接触角越大，疏水性能越好。由此可得，获取发动机防冰部件超疏水表面的最好方式，是改变其迎风表面的微观构造，进行微纳米化，增加空气气穴所占面积，减小水滴与防冰部件迎风表面的实际接触面积。 2.1.2 滚动角模型 在重力作用下，水滴在倾斜固体表面上有下滑趋势。如图4所示，随着α的变大，水滴沿倾斜方向的力mg⋅sin α在不断增大；当α大到某一临界角度时，水滴下滑，此时的α就是水滴在此种固体表面的滚动角。 1962年Furmidge提出了水滴在表面自发移动所需滚动角的计算方程，后来Wolfram等提出了描述液滴在各种光滑平面上的滚动角方程，Murase在Wolfram的方程基础上提出了描述滚动角和接触角之间关系的方程；Watanabe等则进一步提出了粗糙表面上滚动角和接触角的关系[6]。 Aussilous和Chen等[7，8]对液滴在超疏水表面上的动态过程作了更深入的研究，认为超疏水表面上液滴与固体表面及空气间的一维三相线非常关键。因为随着接触角的增加，液滴与固体的接触面积减少，滚动角也减小，有利于液滴运动。因此，只要发动机防冰部件表面的滚动角足够小，撞击到其表面的水滴就很容易脱落，而不会结冰。 2.2 低表面能物质 固体表面的疏水性能与表面能密切相关。表面能低，接触角大，当接触角大于90°时呈明显的疏水性。疏水材料中有机硅和有机氟的表面能较低，且含氟基团的表面能依—CH2—＞—CH3＞—CF2—＞—CF2H＞—CF3的次序下降[9]。水易与氢粘合，水和冰能吸入具有氢结合成分的衬底。冰附着力低的表面应是无氧原子或更具惰性的原子、原子团将氧原子隔开，所以聚合的碳氢化合物和碳氟化合物的表面能低，具有低吸水性和低冰附着力。 常用的低表面能材料主要是有机氟树脂、有机硅树脂及其改性树脂。含氟聚合物材料中，由于C—F键的键能大，氟原子与碳原子结合牢固，且氟原子核对其核外电子及成键电子云的束缚作用较强，C—F键的可极化性低，含C—F键的聚合物分子间的作用力较低，使其表现出优异的耐水性、耐油性和耐沾污性。硅树脂是具有高度交联结构的热固性聚硅氧烷体系，由于分子具有很好的柔顺骨架，使聚合物链段易于调整成低表面能的结构构型，临界表面张力明显低于其它树脂，仅略高于氟树脂。除氟硅材料外，可用来制备超疏水涂层的还有聚烯烃、聚碳酸酯、聚酰胺、聚丙烯腈、聚酯、不含氟的丙烯酸酯、熔融石蜡及一些无机物等，但一般需配合一定的构建技术。 制备超疏水表面通常有两种途径：一是对具有低表面能的疏水性材料进行表面粗糙化处理，二是在具有一定粗糙度表面上修饰低表面能物质。人工制备超疏水表面虽