防除冰抗风沙旋翼前缘多级微纳结构包片及其制备方法

1.本发明属于旋翼前缘防护技术领域，具体涉及一种防除冰抗风沙旋翼前缘多级微纳结构包片及其制备方法。


背景技术：

2.飞机由于其快速、安全的特点而逐渐成为人们日益重视的交通工具，开展飞机结冰及其防护技术的研究是飞机、尤其是大型运输机研制不可忽视的重要方面；飞机在起飞降落或风沙地带飞行时，地面和空气中松散的流动沙粒会冲击飞机表面，较大沙粒冲击飞机会导致飞机旋翼破坏；飞机在高空严寒地带飞行时，大气中冷水滴会迅速聚集在高速旋转的旋翼桨叶前缘，继而凝结成冰，而飞机旋翼桨叶前缘结冰会导致进气流场畸变，从而引起飞机的操纵性和稳定性等气动品质的恶化(尤其是航空发动机在地面和空中一定的温湿度下，进气口整流罩和支板易出现结冰)，脱落的冰还可能造成发动机叶片断裂，甚至导致机毁人亡的重大事故。
3.目前的防除冰方法有气动带除冰、液体防冰、电热除冰。其中，气动带除冰是利用飞机部件前缘表面膨胀管的膨胀作用，使外表面冰层破碎脱落达到除冰的目的，这种方式通常用于旋翼、尾桨前缘位置；液体防冰主要是用液体酒精作为防冻液防止旋翼桨叶结冰，是我国早期直升机最常用的防冰除冰技术，防冻液是由一定比例的乙二醇和水组成的化学溶液，乙二醇的冰点低于水，当它与旋翼表面水滴混合后，会使混合液凝固点低于旋翼表面温度，从而达到不结冰的目的；电热除冰是将电能转化为热能进行融化除冰，一般分为连续加热和间断加热两种方式，直升机旋翼加热时耗电量大，出于节能考虑，直升机旋翼采用间断加热方式进行除冰。目前除了上述防除冰方法外，在飞机易结冰部位安装低表面能疏水组件也可以起到被动防除冰的作用，因此本技术提出一种防除冰抗风沙旋翼前缘多级微纳结构包片及其制备方法。


技术实现要素：

4.针对现有技术存在的问题，本发明提出一种防除冰抗风沙旋翼前缘多级微纳结构包片及其制备方法，目的在于能够有效的防止风沙侵蚀飞机表面，减少冰层在旋翼前缘上的形成，有利于降低飞机的除冰成本和除冰能耗。
5.本发明一种防除冰抗风沙旋翼前缘多级微纳结构包片所采用的技术方案如下：包括旋翼壳体和位于旋翼壳体外部前缘的复合型导热橡胶，复合型导热橡胶表面具有呈微小凸起和微小凹坑交替排列的多级微纳结构、内部具有导电发热的碳纤维丝，所述多级微纳结构是由复合型导热橡胶采用不锈钢压网和模具制得；
6.具体的，所述旋翼壳体外部前缘是指投影在弦长前五分之一范围的旋翼根部；
7.有益效果：安装在旋翼前缘的橡胶包片具有高弹性和耐磨性，可有效的抗风沙侵蚀飞机表面。
8.具体的，所述多级微纳结构的尺寸为微米级，纵横交错，相互贯通，形成大量气穴，
多级微纳结构的两侧边缘处具有呈长条状分布的阶梯状非对称性结构；
9.有益效果：复合型导热橡胶的多级微纳结构和阶梯状非对称性结构可以降低水滴在机体表面的凝结程度，使机体表面冰层融化形成的水滴尽快脱离机体，有利于已经形成的冰层的脱落，延迟旋翼结冰，进而防止重结冰。
10.具体的，所述碳纤维丝每束为3k；
11.有益效果：复合型导热橡胶内部的碳纤维丝具有良好的导电发热性能，可将电能转化为热能，有效进行防除冰；且碳纤维丝具有优异的超导性能和力学性能，有利于降低飞机的能耗并提高旋翼前缘包片的抗拉伸和撕裂性能，延长旋翼前缘包片的使用寿命。
12.本发明一种防除冰抗风沙旋翼前缘多级微纳结构包片的制备方法如下：
13.(1)采用常规干法橡胶混炼工艺制备复合型橡胶：启动混炼机，将混炼机的双辊升温至20℃，将硅生胶加入到混炼机中并混炼10min-15min；将预先称量好的硫磺、硫化促进剂、偶联剂、硫化活性剂及导电改性剂加入到混炼机中，投料完成后继续混炼15min-20min排气，然后取出辊炼得到的复合型橡胶，关闭混炼机；
14.(2)将碳纤维丝按照“s”型排列在复合型橡胶表面，然后用另一片复合型橡胶压在其上方，得到片状混炼胶；
15.(3)取出预先加热过的硫化模具和不锈钢压网，先将片状混炼胶平铺到模具中，再将不锈钢压网放置于片状混炼胶表面，铺平后将上下两层模具压好并放回平板硫化机中进行硫化；
16.(4)达到设定硫化时间后，取出硫化机中的模具，开模后得到片状硫化胶，该片状硫化胶即为复合型导热橡胶；
17.(5)将复合型导热橡胶胶粘在旋翼壳体外部前缘。
18.具体的，所述步骤(1)中复合型导热橡胶包片包括如下重量份的组分：硅生胶100份、硫磺3份、碳纤维丝2份、偶联剂0.1份、硫化促进剂2份、硫化活性剂9份及导电改性剂，其中导电改性剂包括碳纳米管1-5份和铜粉7.5-15份，且碳纳米管和铜粉的重量比为1:3；
19.具体的，所述步骤(3)中模具预热温度为175℃，预热时间为5min-8min；
20.具体的，所述步骤(1)中投料过程中辊炼的辊距为1mm，排气出片过程中辊炼的辊距为1mm-1.5mm；
21.具体的，所述步骤(4)中硫化的温度为175℃、压强为70mpa、时间为10min-15min。
22.有益效果：本发明复合型导热橡胶具有制备成本低、耗能小的特点，是一种很重要的飞机表面防除冰抗风沙的辅助手段。
附图说明
23.图1为本发明旋翼前缘包片的结构示意图；
24.图2为本发明复合型导热橡胶表面的多级微纳结构示意图；
25.图3为本发明复合型导热橡胶的阶梯状非对称性结构示意图；
26.图4为本发明复合型导热橡胶的阶梯状非对称性结构的横截面图；
27.图5为本发明多级微纳结构和阶梯状非对称性结构的结冰测试图；
28.图中：1-旋翼壳体，2-复合型导热橡胶，3-碳纤维丝。
具体实施方式
29.为了更好地理解本发明的内容，下面将结合具体实施例和附图来进一步阐述本发明。以下实施例以本发明的技术为基础，给出了详细的实施方式和操作步骤，但本发明的保护范围不限于下述实施例。
30.请参阅图1-4，本发明一种防除冰抗风沙旋翼前缘多级微纳结构包片包括旋翼壳体1和位于旋翼壳体外部前缘的复合型导热橡胶2(即橡胶包片)，所述旋翼壳体外部前缘是指投影在弦长前五分之一范围的旋翼根部；复合型导热橡胶2表面具有呈微小凸起和微小凹坑交替排列的多级微纳结构、内部具有导电发热的碳纤维丝3且每束为3k；所述多级微纳结构尺寸为微米级，纵横交错，相互贯通，形成大量气穴，多级微纳结构的两侧边缘处具有呈长条状分布的阶梯状非对称性结构。本发明中的橡胶包片是一种超疏水复合型导热橡胶，具有高弹性和耐磨性，橡胶包片采用不锈钢压网得到具有特殊结构的超疏水表面(即多级微纳结构)，这样既可以提高防除冰特性同时又能够有效的抗风沙侵蚀飞机表面。请参阅图5，图5为本发明多级微纳结构和阶梯状非对称性结构的结冰测试图，由图可知：未做任何处理的橡胶包片的完全结冰时间为132s，表面有多级微纳结构的橡胶包片的完全结冰时间为236s，表面有阶梯状非对称性结构的橡胶包片的完全结冰时间为220s，因此超疏水性的多级微纳结构和阶梯状非对称性结构能够延迟结冰，具有明显的防除冰效果。
31.本发明的超疏水复合型导热橡胶包片包括如下重量份的组分(以1重量份数为单位量)：硅生胶100份、硫磺3份、碳纤维丝2份、偶联剂0.1份、硫化促进剂2份、硫化活性剂9份及导电改性剂，所述的导电改性剂包括碳纳米管1-5份和铜粉7.5-15份，其中碳纳米管和铜粉的重量比为1:3；本发明一种防除冰抗风沙旋翼前缘多级微纳结构包片的制备方法如下：
32.(1)采用常规干法橡胶混炼工艺制备复合型橡胶：启动混炼机，将混炼机的双辊升温至20℃，将硅生胶加入到混炼机中并混炼10min-15min；将预先称量好的硫磺、硫化促进剂、偶联剂、硫化活性剂及导电改性剂加入到混炼机中，混炼过程中的辊距为1mm，投料过程中继续混炼橡胶，使其混合更加均匀；投料完成后混炼15min-20min排气，排气出片的辊距为1mm-1.5mm，然后取出混炼得到的复合型橡胶，关闭混炼机；
33.(2)将碳纤维丝按照“s”型排列在复合型橡胶表面，然后用另一片复合型橡胶压在其上方，得到片状混炼胶；
34.(3)取出预先加热过的硫化模具和不锈钢压网，先将片状混炼胶平铺到模具中，再将不锈钢压网放置于片状混炼胶表面，铺平后将上下两层模具压好并放回平板硫化机中进行硫化，其中模具预热之前先用酒精清理，再用去离子水冲洗，然后进行预热，预热温度为175℃，预热时间为5min-8min；
35.(4)硫化过程的温度为175℃、压强为70mpa，达到设定的硫化时间10min-15min后，取出硫化机中的模具，开模后得到片状硫化胶，该片状硫化胶即为复合型导热橡胶；
36.(5)将复合型导热橡胶胶粘在旋翼壳体外部前缘，具体过程为：首先采用温水冲洗去除旋翼外壳的杂质，再用洁净的抹布沾取酒精清洗旋翼表面并作干燥处理，处理过的旋翼表面应洁净、无污染，保证复合型导热橡胶与旋翼胶粘良好。
37.本发明的橡胶包片具有阶梯状非对称性结构和超疏水性能的多级微纳结构，可以降低水滴在机体表面的凝结程度，使机体表面冰层融化形成的水滴尽快脱离机体，有利于已经形成的冰层的脱落，延迟旋翼结冰，橡胶包片内部具有导热性能良好的碳纤维丝，可将
电能转化为热能，进而有效防止重结冰，且碳纤维丝具有优异的超导性能和力学性能，有利于降低飞机的能耗并提高旋翼前缘包片的抗拉伸和撕裂性能，延长旋翼前缘包片的使用寿命；此外安装在旋翼前缘的橡胶包片具有高弹性和耐磨性，可有效的抗风沙侵蚀飞机表面。
38.本发明可以根据以上制备方法具有其它形式的实施例，不再一一列举。因此，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

技术特征：
1.一种防除冰抗风沙旋翼前缘多级微纳结构包片，其特征在于，包括旋翼壳体(1)和位于旋翼壳体外部前缘的复合型导热橡胶(2)，复合型导热橡胶(2)表面具有呈微小凸起和微小凹坑交替排列的多级微纳结构、内部具有导电发热的碳纤维丝(3)。2.如权利要求1所述的一种防除冰抗风沙旋翼前缘多级微纳结构包片，其特征在于，所述旋翼壳体外部前缘是指投影在弦长前五分之一范围的旋翼根部。3.如权利要求1所述的一种防除冰抗风沙旋翼前缘多级微纳结构包片，其特征在于，所述多级微纳结构是由复合型导热橡胶(2)采用不锈钢压网和模具制得，多级微纳结构的尺寸为微米级，纵横交错，相互贯通，形成大量气穴，多级微纳结构的两侧边缘处具有呈长条状分布的阶梯状非对称性结构。4.如权利要求1所述的一种防除冰抗风沙旋翼前缘多级微纳结构包片，其特征在于，所述碳纤维丝(3)每束为3k。5.一种防除冰抗风沙旋翼前缘多级微纳结构包片的制备方法，其特征在于，包括：(1)采用常规干法橡胶混炼工艺制备复合型橡胶：启动混炼机，将混炼机的双辊升温至20℃，将硅生胶加入到混炼机中并混炼10min-15min；将预先称量好的硫磺、硫化促进剂、偶联剂、硫化活性剂及导电改性剂加入到混炼机中，投料完成后继续混炼15min-20min排气，然后取出辊炼得到的复合型橡胶，关闭混炼机；(2)将碳纤维丝按照“s”型排列在复合型橡胶表面，然后用另一片复合型橡胶压在其上方，得到片状混炼胶；(3)取出预先加热过的硫化模具和不锈钢压网，先将片状混炼胶平铺到模具中，再将不锈钢压网放置于片状混炼胶表面，铺平后将上下两层模具压好并放回平板硫化机中进行硫化；(4)达到设定硫化时间后，取出硫化机中的模具，开模后得到片状硫化胶，该片状硫化胶即为复合型导热橡胶；(5)将复合型导热橡胶胶粘在旋翼壳体外部前缘。6.如权利要求5所述的一种防除冰抗风沙旋翼前缘多级微纳结构包片的制备方法，其特征在于，所述步骤(1)中复合型导热橡胶包片包括如下重量份的组分：硅生胶100份、硫磺3份、碳纤维丝2份、偶联剂0.1份、硫化促进剂2份、硫化活性剂9份及导电改性剂，导电改性剂包括碳纳米管1-5份和铜粉7.5-15份，且碳纳米管和铜粉的重量比为1:3。7.如权利要求5所述的一种防除冰抗风沙旋翼前缘多级微纳结构包片的制备方法，其特征在于，所述步骤(3)中模具和不锈钢压网的预热温度为175℃，预热时间为5min-8min。8.如权利要求5所述的一种防除冰抗风沙旋翼前缘多级微纳结构包片的制备方法，其特征在于，所述步骤(1)中投料过程中辊炼的辊距为1mm，排气出片过程中辊炼的辊距为1mm-1.5mm。9.如权利要求5所述的一种防除冰抗风沙旋翼前缘多级微纳结构包片的制备方法，其特征在于，所述步骤(4)中硫化的温度为175℃、压强为70mpa、时间为10min-15min。

技术总结
本发明提出的一种防除冰抗风沙旋翼前缘多级微纳结构包片，包括旋翼壳体和位于旋翼壳体外部前缘的复合型导热橡胶，复合型导热橡胶表面具有呈微小凸起和微小凹坑交替排列的多级微纳结构、内部具有导电发热的碳纤维丝；其中，多级微纳结构有微小凸起和微小凹坑，且两侧边缘处有呈长条状分布的阶梯状非对称性结构；本发明通过复合型导热橡胶的多级微纳结构和阶梯状非对称性结构可以降低水滴在机体表面的凝结程度，使机体表面冰层融化形成的水滴尽快脱离机体，有利于已经形成的冰层的脱落，延迟旋翼结冰，进而防止重结冰；复合型导热橡胶内部的碳纤维丝具有良好的导电发热性能，可将电能转化为热能，有效进行防除冰。有效进行防除冰。有效进行防除冰。


技术研发人员：何强 贾洋洋 孟亚伟 王明武 许渊 许泽华 王广飞 李康帅
受保护的技术使用者：中国民用航空飞行学院
技术研发日：2023.02.03
技术公布日：2023/6/27