本發明涉及一種表面改性技術領域的功能涂層制備，尤其涉及的是一種用于防冰的三級結構超疏水表面及其構建方法。

背景技術：

據美國聯邦航空局綜合分析，每年因飛機結冰而導致的航空事故有近30起，嚴重威脅著人類生命安全，飛機結冰后不僅氣動性能下降，同時還會使發動機的功率下降和外部傳感器設備失靈，這些都將導致飛機失衡和主要系統提供的數據不準確，飛機的速度和高度可能會因此被扭曲，求助通訊系統癱瘓等飛機異常情況的發生。

傳統的飛機防冰方法大多是基于除冰、融冰思路，利用外部裝置依靠熱量、與防冰液混合、機械振動等手段去除表面覆蓋的冰層。然而，這些方法不能從根本上解決問題，且以大量能耗為代價，除冰裝置的設計還增加了一定的技術及制造成本。據美國軍事專家分析，飛機中由于防冰裝置的設計與制造，使飛機制造成本增加了20％-25％。并且這種依靠外部裝置除冰的方法還不能夠徹底解決飛機結冰問題，對飛機的安全駕駛仍然是一個潛在的威脅。

技術實現要素：

本發明針對現有技術在超疏水表面減少撞擊液滴接觸時間上的研究不足，設計構建一種具有宏觀結構的三級超疏水表面，迫使液滴撞擊表面時候，破裂分開，從而減少撞擊液滴與超疏水表面的接觸時間。本發明利用數控銑削技術及微納米結構制備技術在鈦合金表面形成具有三級結構的新型超疏水表面，有效地防止飛機表面結冰，實現高效、清潔、低成本的飛機防冰技術。

技術方案：

一種用于防冰的三級結構超疏水表面的制備方法，包括以下步驟：

1)在鈦及鈦合金基體表面利用銑床銑削加工出一級宏觀結構紋理；

2)將步驟1)所獲得的帶有一級宏觀結構紋理的鈦或鈦合金基體材料，在噴砂作用下處理一定時間，形成二級微米粗糙結構；

3)將步驟2)所獲得的帶有一級宏觀結構紋理和二級微米粗糙結構表面的鈦或鈦合金進行除油清洗處理；

4)將步驟3)所得到的帶有一級宏觀結構紋理和二級微米粗糙結構表面的鈦或鈦合金置于帶有一定體積反應液的聚四氟乙烯反應釜中，利用水熱處理技術在其表面生長一層三級納米結構；

5)將步驟4)所得到的帶有三級結構的鈦或鈦合金置于一定濃度的十七氟硅烷(FAS-17)乙醇溶液中，進行氟化修飾處理獲得超疏水表面。

所述的用于防冰的三級結構超疏水表面的制備方法，步驟1)中，一級宏觀結構紋理指的是：截面呈包括三角形、正弦波形在內的類似形狀的脊結構，尺寸大小屬于毫米范圍。

所述的用于防冰的三級結構超疏水表面的制備方法，步驟2)中，二級微米粗糙結構指的是：形狀為丘陵狀的凹凸結構或者規則形狀陣列結構，尺寸范圍屬于微米級。

所述的用于防冰的三級結構超疏水表面的制備方法，包括：步驟4)中，所述三級納米結構指的是二氧化鈦納米線結構。

所述的用于防冰的三級結構超疏水表面的制備方法，步驟2)中，針對10mm×10mm大小的處理面積，噴砂處理的工藝參數為：在壓強0.5～2.5MPa、80～300目氧化鋁顆粒噴砂條件下處理5～40s，直至表面微米結構一致均勻，且微米結構尺寸為10～100μm。

所述的用于防冰的三級結構超疏水表面的制備方法，步驟4)中，水熱處理生長二氧化鈦納米線結構的過程為：將步驟3)所得帶有一級宏觀結構紋理和二級微米粗糙結構的鈦或者鈦合金置于聚四氟乙烯反應釜內襯中，并加入反應液，在160～240℃條件下反應1.5～24h獲得納米線結構。隨后將獲得的樣品在去離子水中清洗干凈，并在1M HCl溶液中離子交換反應10～30min，再次用去離子水沖洗干凈后，在450～550℃空氣爐中退火晶化處理2～6h，空氣爐升溫速率為1～5℃/min，最后得到二氧化鈦納米線結構；

所述的用于防冰的三級結構超疏水表面的制備方法，所述的水熱處理生長二氧化鈦納米線用的反應液為：0.5～1.5M的NaOH溶液。

所述的用于防冰的三級結構超疏水表面的制備方法，步驟5)中，帶有三級結構的鈦或鈦合金的氟化處理過程為：將步驟4)獲得的樣品置于1wt％-4wt％FAS-17乙醇溶液中，浸漬處理12～36h后，將樣品在60～180℃烘箱中，干燥處理1～4h，獲得三級結構超疏水表面。

根據任一所述的方法獲得的三級結構超疏水表面，能夠減少撞擊液滴與超疏水表面的接觸時間。

本發明中，提出的用于飛機防冰的新型三級結構超疏水表面及其制備方法，具有工藝簡單可控、成本低廉等有點，制備出的三級結構超疏水表面因其改變動態撞擊液滴的流體力學行為，導致撞擊液滴的收縮過程和鋪展過程同時發生，而具有較高的動態液滴斥水能力，撞擊液滴在其表面的反彈接觸時間僅有7.6ms，可應用航空飛機結冰防護、日常用品防水處理等領域。

本發明提供的用于防冰的新型三級結構超疏水表面及其制備方法具有以下特點：

1)用于防冰的新型三級結構超疏水表面的制備方法具有工藝簡單、成本低廉、涉及到的化學反應條件溫和易于工業化生產。

2)制備的新型三級結構超疏水表面具有較高的動態斥水性能，撞擊液滴在其表面的反彈接觸時間僅為7.6ms。

3)制備的新型三級結構超疏水表面與基體之間具有較高的結合力，不易脫落。

4)本發明得到的新型三級結構超疏水表面均勻，性能較為穩定。

附圖說明

圖1為本發明中提到的一級宏觀結構的形狀與尺寸示意圖；

圖2為本發明工藝流程圖；

具體實施方式

為了對本發明的技術特征、目的和有益結果有更加清楚的理解和認識，現對本發明的技術方案進行以下詳細說明，但不能理解為對本發明的可實施范圍的限定。

實施例1

本發明的用于防冰的新型三級結構超疏水表面的制備方法如下：

第一步，以Ti6Al4V鈦合金為基體材料，利用線切割機床加工成長50mm×寬50mm×厚2mm的片狀試樣，隨后利用銑床銑削加工出一級宏觀結構紋理：其截面為底邊長0.6mm，高為0.5mm的三角形脊結構，脊結構頂端為0.2mm的倒角，各條脊結構之間距離為2mm，如附圖1所示；

第二步，將第一步所獲得的帶有一級宏觀結構紋理的鈦或鈦合金基體材料，在壓強0.5MPa、150目氧化鋁顆粒噴砂條件下處理20s，獲得表面一致均勻的微米結構，且微米結構尺寸約為50μm；

第三步，將第二步所獲得帶有一級宏觀結構紋理和二級微米粗糙結構表面的鈦或鈦合金材料，依次用丙酮、無水乙醇以及去離子水超聲清洗10min，晾干待用；

第四步，配置1M的NaOH反應溶液，并加入到反應釜聚四氟乙烯的內襯中，隨后將第三步所得帶有一級宏觀結構紋理和二級微米粗糙結構的鈦或鈦合金置于聚四氟乙烯反應釜內襯中，在200℃條件下反應8h獲得納米線結構。隨后將獲得的樣品在去離子水中清洗干凈，并在1M HCl溶液中離子交換反應30min，再次用去離子水沖洗干凈后，在500℃(升溫速率為2℃/min)空氣爐中退火晶化處理3h，最后得到二氧化鈦納米線結構；

第五步，將第四步所得到的帶有三級結構的鈦或鈦合金置于1wt％FAS-17乙醇溶液中，浸漬24h后在120℃的烘箱中烘干處理2h獲得三級結構超疏水表面。

依照上述實施步驟制備的三級結構超疏水表面具有較高的超疏水性能，接觸角達到了160°，撞擊液滴在其表面的反彈接觸時間僅為7.6ms，表現出較高的動態斥水性能。

實施例2

本發明的用于防冰的新型三級結構超疏水表面的制備方法如下：

第一步，以Ti6Al4V鈦合金為基體材料，利用線切割機床加工成50mm×50mm×2mm的片狀試樣，隨后利用銑床銑削加工出一級宏觀結構紋理如附圖1所示；

第二步，將第一步所獲得的帶有一級宏觀結構紋理的鈦或鈦合金基體材料，在壓強1MPa、80目氧化鋁顆粒噴砂條件下處理10s，獲得表面一致均勻的微米結構，且微米結構尺寸約為70μm；

第三步，將第二步所獲得帶有一級宏觀結構紋理和二級微米粗糙結構表面的鈦或鈦合金材料，依次用丙酮、無水乙醇以及去離子水超聲清洗10min，晾干待用；

第四步，配置2M的NaOH反應溶液，并加入到反應釜聚四氟乙烯的內襯中，隨后將第三步所得帶有一級宏觀結構紋理和二級微米粗糙結構的鈦或鈦合金置于聚四氟乙烯反應釜內襯中，在200℃條件下反應4h獲得納米線結構。隨后將獲得的樣品在去離子水中清洗干凈，并在1M HCl溶液中離子交換反應30min，再次用去離子水沖洗干凈后，在450℃(升溫速率為5℃/min)空氣爐中退火晶化處理4h，最后得到二氧化鈦納米線結構；

第五步，將第四步所得到的帶有三級結構的鈦或鈦合金置于2wt％FAS-17乙醇溶液中，浸漬36h后在150℃的烘箱中烘干處理3h獲得三級結構超疏水表面。

依照上述實施步驟制備的三級結構超疏水表面具有較高的超疏水性能，接觸角達到了156°，撞擊液滴在其表面的反彈接觸時間僅為7.8ms，表現出較高的動態斥水性能。

實施例3

本發明的用于防冰的新型三級結構超疏水表面的制備方法如下：

第一步，以Ti6Al4V鈦合金為基體材料，利用線切割機床加工成50mm×50mm×2mm的片狀試樣，隨后利用銑床銑削加工出一級宏觀結構紋理如附圖1所示；

第二步，將第一步所獲得的帶有一級宏觀結構紋理的鈦或鈦合金基體材料，在壓強2MPa、300目氧化鋁顆粒噴砂條件下處理30s，獲得表面一致均勻的微米結構，且微米結構尺寸約為30μm；

第三步，將第二步所獲得帶有一級宏觀結構紋理和二級微米粗糙結構表面的鈦或鈦合金材料，依次用丙酮、無水乙醇以及去離子水超聲清洗10min，晾干待用；

第四步，配置2.5M的NaOH反應溶液，并加入到反應釜聚四氟乙烯的內襯中，隨后將第三步所得帶有一級宏觀結構紋理和二級微米粗糙結構的鈦或鈦合金置于聚四氟乙烯反應釜內襯中，在180℃條件下反應10h獲得納米線結構。隨后將獲得的樣品在去離子水中清洗干凈，并在1M HCl溶液中離子交換反應20min，再次用去離子水沖洗干凈后，在550℃(升溫速率為3℃/min)空氣爐中退火晶化處理2h，最后得到二氧化鈦納米線結構；

第五步，將第四步所得到的帶有三級結構的鈦或鈦合金置于4wt％FAS-17乙醇溶液中，浸漬12h后在800℃的烘箱中烘干處理5h獲得三級結構超疏水表面。

依照上述實施步驟制備的三級結構超疏水表面具有較高的超疏水性能，接觸角達到了158°，撞擊液滴在其表面的反彈接觸時間僅為7.8ms，表現出較高的動態斥水性能。

應當理解的是，對本領域普通技術人員來說，可以根據上述說明加以改進或變換，而所有這些改進和變換都應屬于本發明所附權利要求的保護范圍。