CN114104299A - 超疏水涂层等离子体与石墨烯电热复合防除冰装置及方法 - Google Patents
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Abstract
提供一种石墨烯电热膜基的介质阻挡放电等离子体激励器：在石墨烯电热膜1表面添加一层绝缘层2，在绝缘层2表面镀裸露电极3，石墨烯电热膜1、绝缘层2、裸露电极3形成自上而下的三层结构，将三层结构的整个下表面涂上超疏水涂层4。还提供一种基于上述激励器的超疏水涂层等离子体与石墨烯电热复合防除冰装置，以及基于该装置的超疏水涂层等离子体与石墨烯电热复合防除冰方法。本发明相比现有的防冰技术具有响应快、结构简单、高效节能、生态无污染，且可根据结冰严重程度，科学合理加密防除冰装置，防除冰效果明显，且易于实现的优点，具有良好的工程应用前景。
Description
技术领域
本发明属于飞行器表面防除冰的装置及方法，涉及石墨烯电热膜、等离子体激励及超疏水涂层，具体涉及一种超疏水涂层等离子体与石墨烯电热膜复合的防除冰装置及方法。
背景技术
飞机结冰被广泛认为是航空飞行的重大危害之一。当飞行器穿越积冰气象条件的云层时，云层中的过冷水滴撞击在飞行器的迎风面，会导致飞行器迎风面部件(机翼、风挡玻璃、尾翼、发动机唇口、空速管等)表面结冰，尤其是驻点附近结冰更严重，而飞行器关键部件结冰会严重影响飞行器的气动性能，从而导致飞行器安全性能急速下降。比如机翼和尾翼前缘结冰，会不同程度改变飞行器的气动外形，违背飞行器设计准则，使升力迅速减小，阻力迅速增大，严重影响飞行器的操纵性能和稳定性能。因此，飞机易结冰部位必须装置防除冰装置，提高飞行器的安全性能。
根据防除冰能量输入方式不同，目前主要的防除冰方式有电热防除冰***、气热防冰***、机械除冰***和超疏水材料防除冰***等。前两种防除冰方法已得到应用，电热防除冰***可靠性高，易于实现，但因其隔蒙皮加热，响应缓慢，功耗较高；气动防冰技术维护简单，工作可靠，但其从发动机或辅助发动机引气会影响发动机性能，且能量利用率低。基于纳米涂层良好的物理化学特性，研究人员将超疏水涂层涂覆在导线表面，以用于解决高压线路的防冰问题，并取得了较好的防冰效果。研究发现，超疏水涂层能改变覆冰的性质，降低冰层和基体的粘附力。目前，等离子体防除冰技术迅速发展，但是能耗问题一直是制约等离子体防除冰技术应用的问题。各个国家都非常重视飞机除冰的低能耗问题，而超疏水涂层及其制备的表面涂层能降低结冰的产生，减少除冰所需的能耗。但单纯依靠超疏水表面无法杜绝飞机部件表面的结冰现象，而利用等离子体防除冰方法除去所有的冰层能耗又太大。所以亟需找到一种解决方法。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明提出一种石墨烯电热膜基的介质阻挡放电等离子体激励器，具体为：在石墨烯电热膜1表面添加一层绝缘层2，在绝缘层2表面镀裸露电极3，石墨烯电热膜1、绝缘层2、裸露电极3形成自上而下的三层结构，将三层结构的整个下表面涂上超疏水涂层4；超疏水涂层4完全覆盖石墨烯电热膜1在三层结构下表面上的投影部分，石墨烯电热膜1的下表面面积大于裸露电极3的下表面面积；其中
绝缘层2为矩形薄片，其面积大小可根据防除冰需求设定。绝缘层2的两侧分别贴置裸露电极3和石墨烯电热膜1；
裸露电极3呈格栅状分布，整体呈矩形，根据防除冰区域合理排布格栅的间距；裸露电极3包括沿长度方向相互平行排布的多个长条电极，长条电极的长度根据需求进行选择，这些电极的两端通过沿宽度方向相互平行布置的两个横向电极固定连接在一起，横向电极的宽度和厚度与长条电极一致，长度为长条电极沿宽度方向的最大排布长度；整体呈矩形的裸露电极3，其四条边与绝缘层2相应边分别平行，且均保持一定间距；裸露电极3贴在绝缘层2一面，裸露电极3在水平面上的投影不会超过绝缘层2在水平面上的投影边缘；
石墨烯电热膜1既作为电加热模块，也作为介质阻挡放电等离子体激励器的低压电极，石墨烯电热膜1贴在绝缘层2另一面，石墨烯电热膜1在水平面上的投影不会超过绝缘层2在水平面上的投影边缘；石墨烯电热膜1尺寸可根据防除冰区域大小决定；
三层结构形成后，在其下表面加涂超疏水涂层4，形成所述石墨烯电热膜基的介质阻挡放电等离子体激励器，超疏水涂层4的投影与石墨烯电热膜1的投影重合；如果自下向上看，部分绝缘层2会从裸露电极3的栅格间隙中露出，而超疏水涂层4也会直接涂覆在这部分露出的绝缘层2上。
在本发明的具体实施例中，石墨烯电热膜1、绝缘层2、裸露电极3、超疏水涂层4的中心点重合。
在本发明的一个实施例中，长条电极宽度为1mm-10mm；厚度为0.06mm-0.2mm；长条电极的长度可根据需求进行选择；相邻长条电极之间间距为5mm～10mm。
在本发明的一个具体实施例中，裸露电极3材料为导电系数相对较高的金属或金属合金材料，长条电极宽度为2mm；厚度为0.08mm；相邻长条电极之间间距为10mm。
在本发明的另一个实施例中，石墨烯电热膜1厚度为0.06-0.2mm；裸露电极3的四条边长较石墨烯电热膜1短1-5mm。
在本发明的另一个具体实施例中，裸露电极3的四条边长较石墨烯电热膜1短3mm。
在本发明的又一个实施例中，超疏水涂层4为SiC疏水材料；在石墨烯电热膜基的介质阻挡放电等离子体激励器上表面涂有耐高温粘合剂，能够根据防除冰需要，在需要防除冰的表面实现对石墨烯电热膜基的介质阻挡放电等离子体激励器的多次循环粘贴；绝缘层2为多层聚酰亚胺胶带粘贴或采用其他介电常数相当的耐高温复合材料。
还提供一种超疏水涂层等离子体与石墨烯电热复合防除冰装置，其采用上述石墨烯电热膜基的介质阻挡放电等离子体激励器，具体为
裸露电极3是石墨烯电热膜基的介质阻挡放电等离子体激励器的高压电极；裸露电极3通过导线与机载脉冲等离子体电源6的高压端连接，石墨烯电热膜1通过导线与机载脉冲等离子体电源6的低压端连接；低压直流稳压电源5的正、负极分别连接石墨烯电热膜1上的两个触点。
在本发明的一个实施例中，两个触点间距大于10mm，两个触点的连线与石墨烯电热膜1的某条边平行，且与该边缘保持一定间距，间距范围5-20mm。
此外，还提供一种超疏水涂层等离子体与石墨烯电热复合防除冰方法，采用上述超疏水涂层等离子体与石墨烯电热复合防除冰装置，具体如下：
当过冷水滴撞击机翼时，由于超疏水涂层4的存在，在疏水效应作用下，液滴与表面的接触角大于150°，部分液滴会直接从机翼表面滑落；此时，打开机载脉冲等离子体电源6和低压直流电源5，在裸露电极3相邻电极条的间隙处形成等离子体区域，等离子体具有瞬间加热空气和壁面的作用；此外，石墨烯电热膜1能够均匀地对机翼表面进行加热；双重作用保证过冷水滴不能在机翼表面结冰，达到防冰目的的前提下。
本发明的超疏水涂层等离子体与石墨烯电热膜复合的防除冰装置和方法，采用铜箔(导电系数相对较高的金属或金属合金)为裸露电极，石墨烯电热膜为埋置电极，多层聚酰亚胺或介电常数相当的耐高温复合材料为绝缘层，裸露电极通过导线与机载脉冲等离子体电源高压端连接，石墨烯电热膜通过导线同时与机载脉冲等离子体电源低压端和机载直流输出端连接。整个超疏水涂层等离子体与石墨烯电热膜复合的防除冰装置安装在飞行器表面蒙皮的凹槽内，保证飞行器表面光滑，不影响飞行器气动外形，防除冰装置可根据飞行器表面结冰难易区域灵活排布。针对飞行器迎风面驻点附近易结冰，其他区域结冰情况稍弱，合理布局防除冰装置中裸露电极的区域，将裸露电极布置在最易结冰位置，保证响应迅速，能量利用科学合理。
应用超疏水涂层等离子体与石墨烯电热膜复合的防除冰技术相比现有的防冰技术具有响应快、结构简单、高效节能、生态无污染，且可根据结冰严重程度，科学合理加密防除冰装置，防除冰效果明显，且易于实现的优点，具有良好的工程应用前景。
附图说明
下面结合附图和实施方式对新型梯度分布式等离子体防除冰装置和方法做进一步说明。
图1示出本发明超疏水涂层等离子体与石墨烯电热膜复合的防除冰装置示意图，其中图1(a)、(b)、(c)分别示出超疏水涂层等离子体与石墨烯电热膜复合的防除冰装置的正视图、俯视图和立体图；
图2示出本发明连接线路示意图；
图中：1.石墨烯电热膜 2.绝缘层 3.裸露电极 4.超疏水涂层 5.低压直流电源6.机载脉冲等离子体电源
具体实施方式
本发明解决其技术问题采用的技术方案是：在石墨烯电热膜1表面添加一层绝缘层2，绝缘层2为矩形薄片；在绝缘层2表面镀裸露电极3，石墨烯电热膜1、绝缘层2、裸露电极3形成自上而下的三层结构，将三层结构的整个下表面涂上超疏水涂层4。在图1(a)中，为了直观地显示裸露电极3的布置方式，图中只画出了超疏水涂层4的一部分，实际中，超疏水涂层4完全覆盖石墨烯电热膜1在三层结构下表面上的投影部分，石墨烯电热膜1的下表面面积大于裸露电极3的下表面面积。
在本发明的一个实施例中，绝缘层2为多层聚酰亚胺胶带粘贴而成，或采用其他介电常数相当的耐高温复合材料。在本发明的一个实施例中，绝缘层2采用3层及以上聚酰亚胺胶带粘接而成。
裸露电极3呈格栅状分布，整体呈矩形，可根据防除冰区域合理排布格栅的间距。裸露电极3包括沿长度方向(长度方向为图1(b)的纵向)相互平行排布的多个长条电极，这些电极的两端通过沿宽度方向(宽度方向为图1(b)的横向)相互平行布置的两个横向电极固定连接在一起；整体呈矩形的裸露电极3，其四条边与绝缘层2相应边分别平行，且均保持一定间距。在本发明的一个实施例中，裸露电极3材料为铜箔(导电系数相对较高的金属或金属合金材料)，长条电极宽度为1mm-10mm，优选2mm；厚度为0.06mm-0.2mm，优选0.08mm；长条电极的长度可根据需求进行选择。相邻长条电极之间间距为5mm～10mm，优选10mm。横向电极的宽度和厚度与长条电极一致，长度为长条电极沿宽度方向的最大排布长度。裸露电极3贴在绝缘层2一面，裸露电极3在水平面上的投影不会超过绝缘层2在水平面上的投影边缘。
石墨烯电热膜1既作为电加热模块，也作为介质阻挡放电等离子体激励器的低压电极，石墨烯电热膜1贴在绝缘层2另一面，石墨烯电热膜1在水平面上的投影不会超过绝缘层2在水平面上的投影边缘。石墨烯电热膜1尺寸可根据防除冰区域大小决定，在本发明的一个实施例中，石墨烯电热膜1厚度为0.06-0.2mm。裸露电极3的四条边长较石墨烯电热膜1短1-5mm，优选3mm。并且其***的投影处于石墨烯电热膜1的投影中央位置。
三层结构形成后，在其下表面加涂超疏水涂层4，形成石墨烯电热膜基的介质阻挡放电等离子体激励器，超疏水涂层4的投影与石墨烯电热膜1的投影重合。如果自下向上看，部分绝缘层2会从裸露电极3的栅格间隙中露出，而超疏水涂层4也会直接涂覆在这部分露出的绝缘层2上。在本发明的一个实施例中，超疏水涂层4为SiC疏水材料，它既有疏水功能，同时又能稳定放电过程的电场。
本发明的石墨烯电热膜基的介质阻挡放电等离子体激励器为一种柔性薄膜。并且，在本发明的一个实施例中，为方便贴敷于机翼表面。在石墨烯电热膜基的介质阻挡放电等离子体激励器上表面(即石墨烯电热膜1背对绝缘层2的外表面)涂有耐高温的3M胶，可以根据防除冰需要，在需要防除冰的表面实现对石墨烯电热膜基的介质阻挡放电等离子体激励器的多次循环粘贴。
本发明还提供一种超疏水涂层等离子体与石墨烯电热复合防除冰装置，该装置利用石墨烯电热膜基的介质阻挡放电等离子体激励器。具体为，裸露电极3是石墨烯电热膜基的介质阻挡放电等离子体激励器的高压电极。裸露电极3通过导线与机载脉冲等离子体电源6的高压端连接，石墨烯电热膜1通过导线与机载脉冲等离子体电源6的低压端连接。低压直流稳压电源5的正、负极分别连接石墨烯电热膜1上的两个触点，两个触点间距一般大于10mm，在本发明的一个实施例中，两个触点的连线与石墨烯电热膜1的某条边(上下左右任何一条边)平行，且与该边缘保持一定间距，间距范围5-20mm，优选10mm。当过冷水滴撞击机翼时，由于超疏水涂层4的存在，在疏水效应作用下，液滴与表面的接触角大于150°(所谓液滴接触角是指液滴静止在表面时，触点处切线与反方向水平面的夹角，液滴在超疏水表面能够保持一个较好的圆球状，所以其接触角较大，定义接触角大于150°的表面才能成为超疏水表面，接触角90-150°为疏水表面，小于90°为亲水表面。接触角越大，说明液滴与表面的接触面积越小，粘附力越小)，部分液滴会直接从机翼表面滑落。此时，打开机载脉冲等离子体电源6和低压直流电源5，在裸露电极3相邻电极条的间隙处形成等离子体区域，等离子体具有瞬间加热空气和壁面的作用。此外，石墨烯电热膜1可以均匀地对机翼表面进行加热。双重作用保证过冷水滴不能在机翼表面结冰，达到防冰目的的前提下。
Claims (10)
1.石墨烯电热膜基的介质阻挡放电等离子体激励器，其特征在于，在石墨烯电热膜1表面添加一层绝缘层2，在绝缘层2表面镀裸露电极3，石墨烯电热膜1、绝缘层2、裸露电极3形成自上而下的三层结构，将三层结构的整个下表面涂上超疏水涂层4；超疏水涂层4完全覆盖石墨烯电热膜1在三层结构下表面上的投影部分，石墨烯电热膜1的下表面面积大于裸露电极3的下表面面积；其中
绝缘层2为矩形薄片，其面积大小可根据防除冰需求设定。绝缘层2的两侧分别贴置裸露电极3和石墨烯电热膜1；
裸露电极3呈格栅状分布，整体呈矩形，根据防除冰区域合理排布格栅的间距；裸露电极3包括沿长度方向相互平行排布的多个长条电极，长条电极的长度根据需求进行选择，这些电极的两端通过沿宽度方向相互平行布置的两个横向电极固定连接在一起，横向电极的宽度和厚度与长条电极一致，长度为长条电极沿宽度方向的最大排布长度；整体呈矩形的裸露电极3，其四条边与绝缘层2相应边分别平行，且均保持一定间距；裸露电极3贴在绝缘层2一面，裸露电极3在水平面上的投影不会超过绝缘层2在水平面上的投影边缘；
石墨烯电热膜1既作为电加热模块，也作为介质阻挡放电等离子体激励器的低压电极，石墨烯电热膜1贴在绝缘层2另一面，石墨烯电热膜1在水平面上的投影不会超过绝缘层2在水平面上的投影边缘；石墨烯电热膜1尺寸可根据防除冰区域大小决定；
三层结构形成后，在其下表面加涂超疏水涂层4，形成所述石墨烯电热膜基的介质阻挡放电等离子体激励器，超疏水涂层4的投影与石墨烯电热膜1的投影重合；如果自下向上看，部分绝缘层2会从裸露电极3的栅格间隙中露出，而超疏水涂层4也会直接涂覆在这部分露出的绝缘层2上。
2.如权利要求1所述的石墨烯电热膜基的介质阻挡放电等离子体激励器，其特征在于，石墨烯电热膜1、绝缘层2、裸露电极3、超疏水涂层4的中心点重合。
3.如权利要求1所述的石墨烯电热膜基的介质阻挡放电等离子体激励器，其特征在于，长条电极宽度为1mm-10mm；厚度为0.06mm-0.2mm；长条电极的长度可根据需求进行选择；相邻长条电极之间间距为5mm～10mm。
4.如权利要求3所述的石墨烯电热膜基的介质阻挡放电等离子体激励器，其特征在于，裸露电极3材料为导电系数相对较高的金属或金属合金材料，长条电极宽度为2mm；厚度为0.08mm；相邻长条电极之间间距为10mm。
5.如权利要求1所述的石墨烯电热膜基的介质阻挡放电等离子体激励器，其特征在于，石墨烯电热膜1厚度为0.06-0.2mm；裸露电极3的四条边长较石墨烯电热膜1短1-5mm。
6.如权利要求5所述的石墨烯电热膜基的介质阻挡放电等离子体激励器，其特征在于，裸露电极3的四条边长较石墨烯电热膜1短3mm。
7.如权利要求1所述的石墨烯电热膜基的介质阻挡放电等离子体激励器，其特征在于，超疏水涂层4为SiC疏水材料；在石墨烯电热膜基的介质阻挡放电等离子体激励器上表面涂有耐高温粘合剂，能够根据防除冰需要，在需要防除冰的表面实现对石墨烯电热膜基的介质阻挡放电等离子体激励器的多次循环粘贴；绝缘层2为多层聚酰亚胺胶带粘贴或采用其他介电常数相当的耐高温复合材料。
8.超疏水涂层等离子体与石墨烯电热复合防除冰装置，其特征在于，其采用如权利要求1至8的任何一项所述的石墨烯电热膜基的介质阻挡放电等离子体激励器，具体为
裸露电极3是石墨烯电热膜基的介质阻挡放电等离子体激励器的高压电极；裸露电极3通过导线与机载脉冲等离子体电源6的高压端连接，石墨烯电热膜1通过导线与机载脉冲等离子体电源6的低压端连接；低压直流稳压电源5的正、负极分别连接石墨烯电热膜1上的两个触点。
9.如权利要求8所述的超疏水涂层等离子体与石墨烯电热复合防除冰装置，其特征在于，两个触点间距大于10mm，两个触点的连线与石墨烯电热膜1的某条边平行，且与该边缘保持一定间距，间距范围5-20mm。
10.超疏水涂层等离子体与石墨烯电热复合防除冰方法，其特征在于，采用如权利要求8或9所述的超疏水涂层等离子体与石墨烯电热复合防除冰装置，具体如下：
当过冷水滴撞击机翼时，由于超疏水涂层4的存在，在疏水效应作用下，液滴与表面的接触角大于150°，部分液滴会直接从机翼表面滑落；此时，打开机载脉冲等离子体电源6和低压直流电源5，在裸露电极3相邻电极条的间隙处形成等离子体区域，等离子体具有瞬间加热空气和壁面的作用；此外，石墨烯电热膜1能够均匀地对机翼表面进行加热；双重作用保证过冷水滴不能在机翼表面结冰，达到防冰目的的前提下。
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