具有冷负载感知及定向加热除冰功能的除冰膜及制备方法技术

本发明专利技术公开一种具有冷负载感知及定向加热除冰功能的除冰膜，涉及功能性膜材料技术领域，包括基底和依次层叠设置在基底上的底电极层、PTC加热层、顶电极层、绝缘封装层；PTC加热层包括至少一个加热单元，各加热单元彼此间隔设置且上下两端分别与顶电极层和底电极层导通。制备方法包括以下步骤：S1在基底上制备底电极层；S2在底电极层上制备PTC加热层；S3在PTC加热层上分隔出至少一个加热单元，并使加热单元的下端与底电极层导通；S4在PTC加热层上制备顶电极层，并使加热单元的上端与顶电极层导通；S5在顶电极层上布置绝缘封装层。本发明专利技术实现了面向冷负载的定向加热除冰，并且节能增效。增效。增效。

【技术实现步骤摘要】
具有冷负载感知及定向加热除冰功能的除冰膜及制备方法


[0001]本专利技术涉及功能性膜材料
，特别是涉及一种具有冷负载感知及定向加热除冰功能的除冰膜及制备方法。

技术介绍

[0002]飞行器、风电叶片和高铁等表面结冰会严重影响其正常工作，甚至危害人们的生命和财产安全。其中飞机结冰是指飞机在低温条件下降雨积冰或飞行过程中由空气中的过冷液滴撞击飞机表面后凝固结冰，可能发生在机翼、尾翼、发动机进气道前缘、风挡玻璃、仪器传感器探头等部位，严重影响飞机飞行安全。
[0003]传统的加热防除冰方法通过在基板内侧布置电阻丝，广泛应用于飞行器防除冰，因飞行器上大量采用低热导率的复合材料，大大降低了能量利用率，同时传统电加热防除冰方法将消耗大量能量，无法满足无人机全天候工作的需求。同时，基于仿生学的超滑、超疏水结构虽然在户外静态环境下有较好的防冰效果，但难以抵挡飞行过程中液滴微粒和高速气流等带来的冲击。电加热防冰涂层作为一种新型的主动防除冰方法，将加热元件转移到结冰区域表面，大幅减少了由内向外传热产生的能量损耗。
[0004]飞机机翼和风力涡轮机叶片等表面通常为快速运转的复杂曲面，在该类复杂曲面上的积冰分布通常是不均匀的，受流场影响而显著变化。目前成熟的主动防除冰技术通常为固定不变的设计，无法随外界条件的变化进行调整，这就导致主动防除冰的能量输出与积冰分布不匹配，在积冰少甚至无冰的区域导致大量能量浪费。基于此，亟需一种具有自控温和自动分配能量输出功能的材料，以适用于飞机表面的精准防除冰。

技术实现思路
r/>[0005]本专利技术的目的是提供一种具有冷负载感知及定向加热除冰功能的除冰膜及制备方法，以解决上述现有技术存在的问题，能够实现膜上冷负载位置及形状的自感知，在自动增大冷负载接触区域的加热功率输出的同时，保持非接触区的低功率输出，从而实现了面向冷负载的定向加热除冰并且节能增效。
[0006]为实现上述目的，本专利技术提供了如下方案：
[0007]本专利技术提供一种具有冷负载感知及定向加热除冰功能的除冰膜，包括基底和依次层叠设置在所述基底上的底电极层、PTC加热层、顶电极层、绝缘封装层；所述PTC加热层包括至少一个加热单元，各所述加热单元彼此间隔设置且上下两端分别与所述顶电极层和所述底电极层导通。
[0008]优选地，所述底电极层包括至少一个底电极条，各所述底电极条互相平行并等间距设置，所述顶电极层包括至少一个顶电极条，各所述顶电极条互相平行并等间距设置，所述顶电极条的长度方向垂直于所述底电极条的长度方向，所述加热单元的上下表面分别与所述顶电极条的底面和所述底电极条的顶面接触。
[0009]优选地，所述底电极条和所述顶电极条的宽度相等，相邻两个所述底电极条的间
距与相邻两个所述顶电极条的间距相等，所述底电极条和所述顶电极条的相互重叠的各个区域中均设有一个所述加热单元。
[0010]优选地，所述基底为硬质基底或柔性基底，所述硬质基底为复合材料板、金属板或漆膜，所述柔性基底为聚酰亚胺膜、PET基底、PVC基底或橡胶基底；所述底电极层和所述顶电极层由铜箔胶带、导电银胶、导电聚合物、溅射金属层或化学镀金属层制作而成；所述绝缘封装层由聚氨酯、环氧树脂、聚酰亚胺或橡胶制作而成。
[0011]优选地，所述PTC加热层包括以下组分：10wt％～30wt％聚合物基体、20wt％～40wt％导电填料、10wt％～30wt％正温度系数效应材料、10wt％～30wt％助剂，余量为有机溶剂。
[0012]优选地，所述聚合物基体包括聚乙烯、环氧树脂、苯乙烯
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丁二烯
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苯乙烯嵌段共聚物、聚氨酯和含氟聚合物中的至少一种；所述导电填料包括金属粉末、碳系导电材料、复合导电材料中的至少一种；所述正温度系数效应材料包括热膨胀型材料、相变型材料、陶瓷材料中的至少一种；所述助剂包括分散剂；所述有机溶剂包括二甲苯、甲苯、丙酮和乙醇中的至少一种。
[0013]本专利技术还提供了以上所述的具有冷负载感知及定向加热除冰功能的除冰膜的制备方法，包括以下步骤：
[0014]S1：在所述基底上制备所述底电极层；
[0015]S2：在所述底电极层上制备所述PTC加热层；
[0016]S3：在所述PTC加热层上分隔出至少一个所述加热单元，并使所述加热单元的下端与所述底电极层导通；
[0017]S4：在所述PTC加热层上制备所述顶电极层，并使所述加热单元的上端与所述顶电极层导通；
[0018]S5：在所述顶电极层上布置所述绝缘封装层。
[0019]优选地，所述底电极层的制备包括制备至少一个所述底电极条，使各所述底电极条互相平行且等间距设置；在所述底电极层上制备所述PTC加热层后，采用激光雕刻、机械加工或手工切割的方法在所述PTC加热层上分隔出至少一个所述加热单元，使各所述加热单元均位于所述底电极条上表面并呈阵列分布，且相邻两个所述加热单元的间距与相邻两个所述底电极条的间距相等，并使所述加热单元在所述底电极层宽度方向的阵列数量与所述底电极层的设置数量一致；然后根据所述加热单元在所述底电极层长度方向的阵列数量设置相应数量的所述顶电极条，使所述顶电极条的长度方向垂直于所述底电极条的长度方向，并使所述顶电极条完全覆盖各所述加热单元上表面。
[0020]优选地，采用激光切割、裁切、热喷涂、磁控溅射或化学镀的方法来制备所述底电极条和所述顶电极条。
[0021]优选地，在步骤S2中，所述PTC加热层的制备包括以下步骤：
[0022]S201：将所述聚合物基体、所述导电填料、所述正温度系数效应材料、所述助剂和所述有机溶剂按比例混合得到混合液，采用机械搅拌、磁力搅拌或加热的方法充分分散所述混合液，得到所述PTC加热层的分散液；
[0023]S202：采用热压法、喷涂法或磁控溅射法将所述分散液覆盖在所述底电极层上制备得到所述PTC加热层。
[0024]本专利技术相对于现有技术取得了以下技术效果：
[0025]本专利技术提供一种具有冷负载感知及定向加热除冰功能的除冰膜及制备方法，夹层式的三明治结构使得本除冰膜具有良好的机械强度，PTC加热层的设置使得本除冰膜具有较强的PTC效应，得益于三明治结构和PTC效应，该除冰膜在施加恒压电源时可对其上接触的冷负载产生电流响应：电流增加量与冷负载接触面积呈线性正相关，且与冷负载初始温度呈负相关；可通过采集PTC加热层的各加热单元的电流来实时反映当前的冷负载位置及形状，从而实现膜上冷负载位置及形状的自感知，在电流响应作用下，能够自动增大冷负载接触区域的加热功率输出的同时保持非接触区的低功率输出，从而实现了面向冷负载的定向加热除冰，并且具有节能增效的优点。
附图说明
[0026]为了更清楚地说明本专利技术实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本专利技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种具有冷负载感知及定向加热除冰功能的除冰膜，其特征在于：包括基底和依次层叠设置在所述基底上的底电极层、PTC加热层、顶电极层、绝缘封装层；所述PTC加热层包括至少一个加热单元，各所述加热单元彼此间隔设置且上下两端分别与所述顶电极层和所述底电极层导通。2.根据权利要求1所述的具有冷负载感知及定向加热除冰功能的除冰膜，其特征在于：所述底电极层包括至少一个底电极条，各所述底电极条互相平行并等间距设置，所述顶电极层包括至少一个顶电极条，各所述顶电极条互相平行并等间距设置，所述顶电极条的长度方向垂直于所述底电极条的长度方向，所述加热单元的上下表面分别与所述顶电极条的底面和所述底电极条的顶面接触。3.根据权利要求2所述的具有冷负载感知及定向加热除冰功能的除冰膜，其特征在于：所述底电极条和所述顶电极条的宽度相等，相邻两个所述底电极条的间距与相邻两个所述顶电极条的间距相等，所述底电极条和所述顶电极条的相互重叠的各个区域中均设有一个所述加热单元。4.根据权利要求1所述的具有冷负载感知及定向加热除冰功能的除冰膜，其特征在于：所述基底为硬质基底或柔性基底，所述硬质基底为复合材料板、金属板或漆膜，所述柔性基底为聚酰亚胺膜、PET基底、PVC基底或橡胶基底；所述底电极层和所述顶电极层由铜箔胶带、导电银胶、导电聚合物、溅射金属层或化学镀金属层制作而成；所述绝缘封装层由聚氨酯、环氧树脂、聚酰亚胺或橡胶制作而成。5.根据权利要求1所述的具有冷负载感知及定向加热除冰功能的除冰膜，其特征在于：所述PTC加热层包括以下组分：10wt％～30wt％聚合物基体、20wt％～40wt％导电填料、10wt％～30wt％正温度系数效应材料、10wt％～30wt％助剂，余量为有机溶剂。6.根据权利要求5所述的具有冷负载感知及定向加热除冰功能的除冰膜，其特征在于：所述聚合物基体包括聚乙烯、环氧树脂、苯乙烯
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丁二烯
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苯乙烯嵌段共聚物、聚氨酯和含氟聚合物中的至少一种；所述导电填料包括金属粉末、碳系导电材料、复合导电材料中的至少一种；所述正温度系数效应材料包括热膨胀型材料、相变型材料...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈华伟，孙师泽，刘晓林，赵泽辉，朱彦曈，王泽林澜，陈济琛，占潇洋，马峥，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：