一种似海豚皮结构的仿生耦合防除冰柔性覆膜制造技术

本发明专利技术公开了一种似海豚皮结构的仿生耦合防除冰柔性覆膜，固定于待防除冰部件表面，包括：柔性基底，柔性基底的上表面分布有织构形态，织构形态内填充有空气或相变释能物质，相变释能物质既具有相变前后体积变化特性，也具有相变释能特性；光热转换材料层，光热转换材料层由具有光热转换功能的材料制成且为柔性材料层，其覆盖于柔性基底的上方。本发明专利技术模仿海豚皮肤的多层结构，运用仿生耦合思想，综合运用材料的形态、柔性、吸光及储能特性，主动干扰材料表面覆冰的粘附稳定性，使冰粘附界面产生不均匀的集中应力，最终实现明显降低材料表面冰粘附强度、减小覆冰清理难度、可循环利用的效果。

A kind of bionic coupling anti deicing flexible film covering similar to dolphin skin structure

【技术实现步骤摘要】
一种似海豚皮结构的仿生耦合防除冰柔性覆膜
本专利技术具体属于防除冰
，可广泛用于汽车、风力机叶片、航空等工程领域中，具体涉及一种似海豚皮结构的仿生耦合防除冰柔性覆膜。
技术介绍
低温环境下，环境中的水或水蒸气会粘附在材料表面冻结结冰，不易清除。冰在材料表面粘附不仅会增加部件的负载，并改变材料的表面特性，如透光性、表面形貌等，还会给航空、新能源、高铁、电力等诸多工程领域造成严重的经济损失，甚至造成安全隐患。如飞机叶片表面覆冰会影响飞机的空气动力参数，减小飞机运行安全系数；风机叶片表面覆冰会影响风机旋转时的动平衡要求，增加塔架振动幅度等；输电线缆表面覆冰会增加负载，易引起线缆断裂。因此，部件表面防除冰技术的研究受到工程领域技术人员的重点关注。目前，工程领域已形成了30余种防除冰技术，根据其防除冰原理大致可概括为机械、化学、加热三大类防除冰方法，但上述防除冰技术存在高能耗、高成本且污染环境等使用缺陷。近年来，随着材料科学的不断发展，诸多学者拟通过改善材料表面的润湿性来降低材料表面冰粘附量，但近年来国内外诸多学者发现，疏水性防除冰表面存在防除冰耐久性差、机械稳定性差且易受环境污染等使用弊端，并且疏水性表面存在制备成本高、复杂等应用限制。中国专利技术专利CN201410456599.X于2014.12.10公开了一种防结冰覆膜，其中公开了该防结冰覆膜由基底层(1)、中间溶液泡罩层(2)和外蒙皮表面层(3)粘合而成，中间溶液泡罩层(2)是由中间层填充材料(21)、低冰点溶液(22)和泡罩(23)构成，数个泡罩(23)镶嵌在中间层填充材料(21)中，低冰点溶液(22)填充在泡罩(23)中，外蒙皮表面层(3)与中间层填充材料(21)粘接在一起；所述泡罩的形状为球形泡或柱状泡或半球形泡；所述的低冰点溶液为氯化物溶液或是多元醇类混合溶液。该专利技术是以液/固的相变所产生的相变膨胀现象为基础，通过液体凝固点(冰点)差异，延缓泡罩内的低冰点溶液的相变膨胀发生时机，利用低冰点溶液的相变膨胀产生的应力应变进行防结冰的。但是，该专利在实际应用时也显露出了一些缺点：1、该种防除冰覆膜使用一次后需要外加热源融化泡罩内的低冰点液体，否则低温环境下，该种防除冰覆膜结冰后不能再起到对部件的防除冰作用，也就是说其只能一次性使用，不能反复、循环利用；2、所公开的填充在泡罩中的物质可选范围十分的窄。因此，如何针对机械、化学、加热等常规防除冰技术及疏水防除冰涂层、已有防结冰覆膜存在的使用弊端，提供出一种新型的防除冰柔性覆膜，是本领域内技术人员目前需要克服的一个难题。
技术实现思路
为此，本专利技术根据海豚皮肤的多层结构特点，运用仿生耦合思想，结合形态、材料柔性、材料吸光特性及相变储能材料，设计出了一种新型的似海豚皮结构的仿生耦合防除冰柔性覆膜，其目的在于针对机械、化学、热融等常规除冰技术以及疏水防除冰涂层、已有防结冰覆膜存在的使用弊端，给工程领域提供一种主动防除冰的技术原理和方法，其具体技术方案如下：一种似海豚皮结构的仿生耦合防除冰柔性覆膜，固定于待防除冰部件表面，包括：柔性基底，所述柔性基底的上表面分布有织构形态，所述织构形态内填充有空气或相变释能物质，所述相变释能物质既具有相变前后体积变化特性，也具有相变释能特性；光热转换材料层，所述光热转换材料层由具有光热转换功能的材料制成且为柔性材料层，其覆盖于所述柔性基底的上方。本专利技术提供了一种似海豚皮结构的仿生耦合防除冰柔性覆膜，通过在覆膜表面增强材料的吸光性能，利用光热转换材料，使该防除冰覆膜可全天候具有防除冰功能。其具体原理为：白天日光照射到柔性覆膜表面的光热转换材料层上，会提升材料表面温度，延缓表面覆冰形成时间，同时柔性基底表面织构形态内填充的相变释能物质持续吸收热量；夜晚环境温度降低，柔性基底表面织构形态内填充的相变释能物质开始工作，释放能量并同时发生体积变化，干扰、破坏表面覆冰粘附稳定性，有助于覆冰自我剥离脱落，达到防除冰的目的；而次日白天柔性覆膜表面的光热转换材料层在表面温度提升的同时，又会使相变释能物质重新吸收热量恢复相变前的形态，如此变化，实现了本专利技术一种似海豚皮结构的仿生耦合防除冰柔性覆膜的反复、可循环利用。在上述技术方案的基础上，本专利技术还可做出如下改进：优选的，所述柔性基底为厚度低于3mm且导热系数低于5W/(m·℃)的柔性材料，如硅胶、塑性聚氨酯弹性体橡胶、高密度聚乙烯等。上述柔性基底的厚度是根据现有制备工艺的精度取的一个优选值；柔性基底的厚度过大，会影响覆膜的使用效果，若有外力作用刮、铲，该覆膜会犹如平面上突然出现一个台阶，影响膜的使用寿命，并可能会影响部件的表面形貌。柔性基底材料属性选用低导热系数，能够延缓表面覆冰的形成，可更加进一步防止表面覆冰的形成。优选的，所述柔性基底表面织构形态的类型为圆形凹坑或者条纹状凹槽。圆形凹坑或者条纹状凹槽的表面织构形态类型设计是根据实验室长期对减粘脱附生物体表形态的研究结果，一般体表非光滑形态可归纳为凸包、凹坑和沟槽，实际试验论证凸包不适合，因此去掉。优选的，所述柔性基底表面织构形态的分布形式为菱形分布、矩形分布、等差排布或随机排布等形式。优选的，所述柔性基底表面织构形态的分布面积占所述柔性基底表面积的25-50％，深度尺寸为所述柔性基底厚度的1/3-1/2，宽度或直径为深度尺寸的0.5-1.5倍，分布间距为深度尺寸的1-3倍。柔性基底表面织构形态若分布面积过大、间距过小，该柔性覆膜在折叠应用时，易损坏；深度尺寸过大，相变释能物质产生的热量和体积膨胀，易作用于凹坑底面；分布间距过大，相变释能物质产生的热量和体积膨胀，对材料表面粘附稳定性的影响较小。优选的，所述相变释能物质的冰点高于其使用环境的平均温度，并低于或等于水的冰点。如在-20℃环境中，由于相变释能物质的冰点低于或等于水的冰点，水在材料表面的结冰早于相变释能物质，所以水与材料表面之间先形成稳定粘附界面，待相变释能物质结冰时，其释放的热量和产生的体积膨胀便可降低冰在材料表面的粘附强度。优选的，所述柔性基底表面织构形态内能够填充相变点相同的所述相变释能物质，也能够在不同位置形态内填充不同相变点的所述相变释能物质。相变释能物质可选用如金属盐类水合物、醇类水溶液等。有益效果：本专利技术利用在织构形态内不同位置填充具有不同相变点的相变释能物质，犹如矿场中的定点爆破一样，在不同位置、不同时间影响表面覆冰的粘附稳定性，能够扩大对表面覆冰的影响，使冰粘附强度更小。优选的，所述柔性基底和所述光热转换材料层通过粘贴或二次制造等方式，如多次3D打印，构成似海豚皮结构的仿生耦合防除冰柔性覆膜。优选的，所述似海豚皮结构的仿生耦合防除冰柔性覆膜通过粘贴、螺栓或者夹持等方式固定在所述待防除冰部件表面，在有、无太阳照射条件下，使所述待防除冰部件具有全天候的主动防除冰性能。优选的，所述光热转换材料层的上表面还喷涂有吸光功能性涂层，如氧化铜、黑镍、黑铬、黑锌、黑铜等太阳光线选择性吸收本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种似海豚皮结构的仿生耦合防除冰柔性覆膜，固定于待防除冰部件表面，其特征在于，包括：/n柔性基底(1)，所述柔性基底(1)的上表面分布有织构形态(11)，所述织构形态(11)内填充有空气或相变释能物质(2)，所述相变释能物质(2)既具有相变前后体积变化特性，也具有相变释能特性；/n光热转换材料层(3)，所述光热转换材料层(3)由具有光热转换功能的材料制成且为柔性材料层，其覆盖于所述柔性基底(1)的上方。/n

【技术特征摘要】
1.一种似海豚皮结构的仿生耦合防除冰柔性覆膜，固定于待防除冰部件表面，其特征在于，包括：
柔性基底(1)，所述柔性基底(1)的上表面分布有织构形态(11)，所述织构形态(11)内填充有空气或相变释能物质(2)，所述相变释能物质(2)既具有相变前后体积变化特性，也具有相变释能特性；
光热转换材料层(3)，所述光热转换材料层(3)由具有光热转换功能的材料制成且为柔性材料层，其覆盖于所述柔性基底(1)的上方。


2.根据权利要求1所述的一种似海豚皮结构的仿生耦合防除冰柔性覆膜，其特征在于，所述柔性基底(1)为厚度低于3mm且导热系数低于5W/(m·℃)的柔性材料。


3.根据权利要求1所述的一种似海豚皮结构的仿生耦合防除冰柔性覆膜，其特征在于，所述柔性基底(1)表面织构形态(11)的类型为圆形凹坑或者条纹状凹槽。


4.根据权利要求1或3所述的一种似海豚皮结构的仿生耦合防除冰柔性覆膜，其特征在于，所述柔性基底(1)表面织构形态(11)的分布形式为菱形分布、矩形分布、等差排布或随机排布形式。


5.根据权利要求1所述的一种似海豚皮结构的仿生耦合防除冰柔性覆膜，其特征在于，所述柔性基底(1)表面织构形态(11)的分布面积占所述柔性基底(1)表面积的2...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈廷坤，丛茜，马博帅，任露泉，张红，韩丽曼，金敬福，
申请(专利权)人：吉林大学，
类型：发明
国别省市：吉林;22