一種耐沖蝕疏水材料及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及表面改性領(lǐng)域，特別是在金屬表面制備疏水涂層的方法。本發(fā)明還涉 及采用上述方法制備的耐沖蝕疏水材料。
【背景技術(shù)】
[0002] 飛行器件的結(jié)冰是影響整個飛行系統(tǒng)安全的重要因素之一，據(jù)統(tǒng)計，大約有9%的 飛機(jī)事故都是因?yàn)楸砻娼Y(jié)冰所引起的。飛機(jī)在結(jié)冰情況下飛行，飛行品質(zhì)及飛行性能將受 到很大的影響。結(jié)冰不僅會增加飛機(jī)的重量，降低螺旋槳效率，進(jìn)而導(dǎo)致發(fā)動機(jī)可用推力減 小，而且還干擾氣流，造成阻力增大，升力減小。20世紀(jì)40~50年代，人們在飛機(jī)結(jié)冰、防 冰方面做了大量的工作，一方面改進(jìn)飛機(jī)的防冰裝置，另一方面加強(qiáng)地面的防冰、除冰和檢 查工作。然而，縱然飛機(jī)防冰系統(tǒng)比較完善，但除冰、防冰系統(tǒng)并不能在所有情況下都達(dá)到 預(yù)期的效果，結(jié)冰依然是飛行安全的一大隱患。
[0003] 由于純金屬及其合金材料本身具有較高的表面能，因此其與液態(tài)水的接觸角一般 在60°左右。在低溫及高濕度環(huán)境下，金屬表面容易發(fā)生結(jié)冰現(xiàn)象。降低材料本身的表面 能或者在金屬表面制備一層具有較低表面能的涂層是防止金屬制件表面結(jié)冰常用的防護(hù) 措施之一，常采用的技術(shù)方法為在金屬表面涂覆低表面能材料及在金屬表面形成一定規(guī)則 結(jié)構(gòu)的織構(gòu)。
[0004] 在金屬表面涂覆低表面能可增加金屬制件表面的疏水效果，從而減少冰敷過程的 覆冰量，降低除冰能耗。在現(xiàn)有研宄中，廣泛使用的低表面能材料主要為有機(jī)氟/硅材料、 合成高分子熔體聚合物及有機(jī)-無機(jī)雜化材料等，這些有機(jī)材料的抗沖蝕磨損性能差，很 難達(dá)到基體的抗沖蝕強(qiáng)度。特別是在高速運(yùn)動固體顆粒的頻繁沖擊下，有機(jī)材料的使用壽 命受到嚴(yán)重影響。因此有機(jī)材料一般應(yīng)用于不受外力或承受輕微摩擦接觸的制件表面。由 于飛行器長時間暴露于大氣中，在高速條件下，空氣中的塵埃等顆粒物很快沖蝕掉有機(jī)疏 水涂層，從而影響疏水部件的抗結(jié)冰功能。北京航材院研制的J04-101H氟橡膠葉片漆則是 用于飛機(jī)發(fā)動機(jī)葉片的耐沖蝕保護(hù)涂料，該涂料除了具有較為優(yōu)良的綜合性能外，其耐磨 性大于20min (吹砂法，min/20 ym)，用于禍衆(zhòng)發(fā)動機(jī)壓氣機(jī)葉片1000h后涂層基本完好，但 是該涂料未考慮涂層的疏水、防冰性能，且該技術(shù)不適用于精度要求較高的飛行器件傳感 器。目前，普遍選取陶瓷涂層作為飛行器件抗沖蝕防護(hù)涂層，該類涂層具有很高的硬度，可 抵抗固體顆粒的沖擊磨損。某些陶瓷體系的涂層，如TiN、CrN、WN等，其抗沖蝕強(qiáng)度明顯優(yōu) 于基體，可延長器件的使用壽命。瑞典研宄者Y Iwai評價了 TiN、TiN/TaN、TiN/CrN、TiN/ TiAIN等不同陶瓷涂層在不同粒徑固體顆粒下的抗沖蝕性能，其結(jié)果表明氮化物陶瓷涂層 普遍提高了高速鋼基體的抗沖蝕性能，某些涂層的沖蝕性能相比基體提高了 3倍以上。但 是該陶瓷涂層相比有機(jī)類涂層具有較高的表面能，因此其疏水性能受到了一定的限制。
[0005] 除了采用低表面能材料外，還可在金屬表面引入合適的有規(guī)律的幾何結(jié)構(gòu)圖形， 形成一定規(guī)則結(jié)構(gòu)的織構(gòu)，有效提高液態(tài)水與金屬表面的接觸角并降低滾動角，提升疏水 效果。在覆冰、除冰的往復(fù)循環(huán)過程中，表面織構(gòu)往往因承受外力作用發(fā)生結(jié)構(gòu)變化，因 此制備表面織構(gòu)技術(shù)的選取還需要進(jìn)一步結(jié)合低表面能材料進(jìn)行開發(fā)。澳大利亞研宄者Algirdas Lazauskas發(fā)現(xiàn)Si02疏水涂層的粗糙織構(gòu)的精度易受到反復(fù)結(jié)冰/除冰過程的 應(yīng)力影響而出現(xiàn)降低，微凸起織構(gòu)出現(xiàn)破裂脫落，接觸角降低。研宄指出在除冰過程中織構(gòu) 的破壞主要形式為納米級凸起的磨損和微米級凸起的斷裂。因此在制備織構(gòu)時選取自身強(qiáng) 度較高的低表面能涂層，進(jìn)行強(qiáng)化處理，可有效提高織構(gòu)的強(qiáng)度，延長材料使用壽命。
[0006] 在實(shí)際應(yīng)用中，飛行器件的工作環(huán)境氣象條件異常復(fù)雜，毛冰、白冰、霧凇等積冰 會沖擊飛行器件表面，造成機(jī)體表面的損傷，如發(fā)動機(jī)進(jìn)氣道口積冰，會阻滯氣流，使氣流 發(fā)生局部分離，積冰還可在道口產(chǎn)生大的冰圈，改變空氣的動力特性，當(dāng)冰肩脫離，進(jìn)入發(fā) 動機(jī)的葉片，從而造成葉片的機(jī)械損傷，使發(fā)動機(jī)的功率降低，影響發(fā)動機(jī)正常工作，嚴(yán)重 時，造成發(fā)動機(jī)損壞或熄火。外來風(fēng)沙、灰塵等固體顆粒亦會沖蝕飛行器件表面。因此低 表面能涂層不僅需要疏水性能、防/除冰功能，還應(yīng)具有良好的綜合性能，如良好的力學(xué)強(qiáng) 度、結(jié)合強(qiáng)度、抗風(fēng)沙、長壽命等。制備疏水涂層時，需要綜合考慮低表面能的化學(xué)組成和微 納米結(jié)構(gòu)的適宜表面織構(gòu)，以滿足飛行器件的實(shí)際需求。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 本發(fā)明的目的是解決現(xiàn)有疏水材料不能應(yīng)用于強(qiáng)沖蝕、強(qiáng)摩擦環(huán)境的問題，提供 一種耐沖蝕疏水材料的制備方法，綜合采用低表面能材料和特殊的織構(gòu)，通過控制材料的 低表面能晶面的生長，在金屬制件表面形成一層低表面能取向的金屬/陶瓷復(fù)合多層膜， 提高了金屬產(chǎn)品的疏水性能及耐沖蝕性能。
[0008] 本發(fā)明還提供一種使用上述方法制備的耐沖蝕疏水材料。
[0009] 為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的耐沖蝕疏水材料的制備方法采用磁過濾陰極真空弧 放電方法于工件表面沉積多層膜層，采用激光器激光刻蝕方法于沉積膜層后的工件表面刻 蝕織構(gòu)，其中，沉積膜層步驟全部于刻蝕織構(gòu)步驟之前進(jìn)行。
[0010] 上述的耐沖蝕疏水材料的制備方法，其中，包括如下步驟：
[0011] S100,采用磁過濾陰極真空Ti弧源于工件表面沉積第一Ti膜層；
[0012] S200,通入氮?dú)猓也捎么胚^濾陰極真空Ti弧源于沉積第一Ti膜層后的工件表面 沉積TiN膜層；
[0013] S300,關(guān)閉氮?dú)猓捎么胚^濾陰極真空Ti弧源于沉積TiN膜層后的工件表面沉積 第二Ti膜層；
[0014] S400,通入氮?dú)猓也捎么胚^濾陰極真空Cr弧源于沉積第二Ti膜層后的工件表面 沉積CrN膜層；
[0015] S500,關(guān)閉氮?dú)猓捎么胚^濾陰極真空Cr弧源于沉積CrN膜層后的工件表面沉積 Cr膜層；
[0016] S600,采用激光器在沉積Cr膜層后的工件表面上按照一設(shè)計圖案進(jìn)行激光刻蝕 以形成織構(gòu)。
[0017] 上述的耐沖蝕疏水材料的制備方法，其中，所述步驟S600包括：
[0018] S610,采用激光器于沉積Cr膜層后的工件表面上按照所述設(shè)計圖案進(jìn)行第一激 光刻蝕；
[0019] S620,于所述S610之后進(jìn)行，采用激光器于工件表面上按照所述設(shè)計圖案進(jìn)行第 二激光刻蝕，第二激光刻蝕對第一激光刻蝕后形成的織構(gòu)進(jìn)行修飾。
[0020] 上述的耐沖蝕疏水材料的制備方法，其中，所述步驟S100中，沉積的第一 Ti膜層 的厚度控制為100_200nm ;所述步驟S200中，沉積的TiN膜層的厚度控制為4-6 y m ;所述步 驟S300中，沉積的第二Ti膜層的厚度控制為3-4 y m ;所述步驟S400中，沉積的CrN膜層 的厚度控制為5-6 ym ;所述步驟S500中，沉積的Cr膜層的厚度控制為1-2 ym ;所述步驟 S610中，第一激光刻蝕的深度控制為30-50 ym。
[0021] 上述的耐沖蝕疏水材料的制備方法，其中，所述步驟S100中，陰極弧流控制在 80~95A，沉積負(fù)偏壓控制在-100~-200V，占空比維持80~90%，沉積時間2~4分 鐘；所述步驟S200中，氮?dú)饬髁繛?0~60sccm，真空室的真空度維持在1.5XKT 2~ 1. 6 X 10_2Pa，沉積負(fù)偏壓控制在-100~-200V，占空比維持為80~90%，沉積時間為2~3 小時；所述步驟S300中，真空室的真空度維持在1. 5 X 1(T2~1. 6 X l(T2Pa，沉積負(fù)偏壓控制 在-100~-200V，占空比維持為80~90%，沉積時間為1~1. 5小時；所述步驟S400中， 陰極弧流控制在70~85A，沉積負(fù)偏壓控制在-90~120V，占空比維持在60~80%，氮?dú)?流量控制在70~80sccm，真空度維持在1. 8 X 10_2~2. 0 X 10 _2Pa，沉積時間4~5為小時； 所述步驟S500中，陰極弧流控制在70~85A，沉積負(fù)偏壓控制在-90~120V，占空比維持 在60~80%，真空度維持在1. 8X 10_2~2. 0X 10 _2Pa，沉積時間1~1. 2小時；所述步驟 S610中，