航空發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)冰是威脅飛行安全的關(guān)鍵因素之一，一旦發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)（例如發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)匣、進(jìn)氣道唇口）結(jié)冰，進(jìn)氣道的空氣動(dòng)力特性將被改變，流動(dòng)阻力顯著增加。結(jié)冰較輕微時(shí)，會(huì)引發(fā)氣流畸變，影響發(fā)動(dòng)機(jī)工作穩(wěn)定性；結(jié)冰較嚴(yán)重時(shí)，可致使發(fā)動(dòng)機(jī)熄火停車，帶來(lái)災(zāi)難性后果。此外，脫落的冰屑可能被發(fā)動(dòng)機(jī)吸入，造成發(fā)動(dòng)機(jī)損傷。而在特定的飛行與氣象條件下，即使并非冰雪天氣，如云層中存在大量溫度低于0 ℃的液態(tài)過(guò)冷水滴，當(dāng)其撞擊在發(fā)動(dòng)機(jī)短艙進(jìn)氣道前緣，同樣會(huì)凝結(jié)成冰，導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣量減少，性能下降。

但現(xiàn)有發(fā)動(dòng)機(jī)防除冰系統(tǒng)（如引熱氣防冰、電加熱防冰）需要付出一定的結(jié)構(gòu)和性能代價(jià)。因此，通過(guò)材料表面改性使其同時(shí)具備超疏水和光熱特性，實(shí)現(xiàn)無(wú)需耗能的防冰/除冰能力，是行業(yè)的重要需求。

浙江工業(yè)大學(xué)姚建華教授團(tuán)隊(duì)聯(lián)合中國(guó)航發(fā)沈陽(yáng)黎明航空發(fā)動(dòng)機(jī)集團(tuán)有限責(zé)任公司，通過(guò)向疏水表面引入光熱因子，賦予表面光熱性能。光熱因子在太陽(yáng)光或者定向激光輻照下，經(jīng)過(guò)光熱的高效轉(zhuǎn)化，在冰層和表面形成一層冰水分界線，進(jìn)而借助表面對(duì)液體的低粘附性快速除冰（如圖1所示）。團(tuán)隊(duì)利用飛秒激光在金屬、玻璃、陶瓷等多種基材上成功制備了具有蜂窩盔甲特征的多級(jí)超疏水光熱表面。

圖1 光熱主動(dòng)除冰原理示意圖

團(tuán)隊(duì)研究了材料表面多級(jí)結(jié)構(gòu)的飛秒激光刻蝕工藝，分析了加工次數(shù)對(duì)結(jié)構(gòu)深度與寬度的調(diào)控規(guī)律，實(shí)現(xiàn)了微納結(jié)構(gòu)尺寸的精準(zhǔn)控制。基于靜態(tài)疏水性及延遲結(jié)冰性能測(cè)試，優(yōu)化了微柱結(jié)構(gòu)尺寸與高壓噴涂引入的Fe3O4納米顆粒含量。

結(jié)果表明，通過(guò)成功構(gòu)筑由微柱、PDMS沉積物及PDMS/Fe3O4納米顆粒復(fù)合構(gòu)成的多級(jí)微納結(jié)構(gòu)，可使延遲結(jié)冰時(shí)間提升約2.14倍。在微柱結(jié)構(gòu)光熱阱效應(yīng)與Fe3O4納米顆粒的協(xié)同作用下，表面光熱性能顯著增強(qiáng)，溫度由原始表面的40.3 ℃提升至72.9 ℃，相對(duì)提升約78.6%。

超疏水表面防冰技術(shù)是較為復(fù)雜的界面接觸科學(xué)，表面結(jié)構(gòu)在不同環(huán)境下的浸潤(rùn)機(jī)制、如何獲得滿足長(zhǎng)期戶外服役性能的防冰表面等問(wèn)題仍待深入研究。團(tuán)隊(duì)后續(xù)將通過(guò)紫外老化實(shí)驗(yàn)、濕熱環(huán)境測(cè)試和反復(fù)冰凍融循環(huán)實(shí)驗(yàn)等，進(jìn)一步評(píng)價(jià)戶外服役環(huán)境下的表面防冰性能衰減特性。

參考文獻(xiàn)： 中國(guó)光學(xué)期刊網(wǎng)

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