航空發(fā)動機結(jié)冰是威脅飛行安全的關(guān)鍵因素之一，一旦發(fā)動機進(jìn)氣系統(tǒng)（例如發(fā)動機機匣、進(jìn)氣道唇口）結(jié)冰，進(jìn)氣道的空氣動力特性將被改變，流動阻力顯著增加。結(jié)冰較輕微時，會引發(fā)氣流畸變，影響發(fā)動機工作穩(wěn)定性；結(jié)冰較嚴(yán)重時，可致使發(fā)動機熄火停車，帶來災(zāi)難性后果。此外，脫落的冰屑可能被發(fā)動機吸入，造成發(fā)動機損傷。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)過冷水滴，當(dāng)其撞擊在發(fā)動機短艙進(jìn)氣道前緣，同樣會凝結(jié)成冰，導(dǎo)致發(fā)動機進(jìn)氣量減少，性能下降。但現(xiàn)有發(fā)動機防除冰系統(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。因此，通過材料表面改性使其同時具備超疏水和光熱特性，實現(xiàn)無需耗能的防冰/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)隊聯(lián)合中國航發(fā)沈陽黎明航空發(fā)動機集團(tuán)有限責(zé)任公司，通過向疏水表面引入光熱因子，賦予表面光熱性能。光熱因子在太陽光或者定向激光輻照下，經(jīng)過光熱的高效轉(zhuǎn)化，在冰層和表面形成一層冰水分界線，進(jìn)而借助表面對液體的低粘附性快速除冰。團(tuán)隊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超疏水光熱表面。團(tuán)隊研究了材料表面多級結(jié)構(gòu)的飛秒激光刻蝕工藝，分析了加工次數(shù)對結(jié)構(gòu)深度與寬度的調(diào)控規(guī)律，實現(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)成的多級微納結(jié)構(gòu)，可使延遲結(jié)冰時間提升約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，最高溫度由原始表面的40.3 ℃提升至72.9 ℃，相對提升約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)境下的浸潤機制、如何獲得滿足長期戶外服役性能的防冰表面等問題仍待深入研究。團(tuán)隊后續(xù)將通過紫外老化實驗、濕熱極端環(huán)境測試和反復(fù)冰凍融循環(huán)實驗等，進(jìn)一步評價戶外服役環(huán)境下的表面防冰性能衰減特性。
△ 光熱主動除冰原理示意圖與效果圖
△ 浙江工業(yè)大學(xué)激光先進(jìn)制造研究院
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