本發(fā)明涉及一種除冰系統(tǒng)，尤其涉及一種用于極端環(huán)境下艦船表面低耗能電熱防/除冰系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

低緯度寒區(qū)航行的水面艦艇甲板上浪以后很容易結(jié)冰，最終在艦艇表面形成覆冰現(xiàn)象，這會給艦船安全帶來極大危害并使得艦船戰(zhàn)斗力完全喪失。2015年，韓國海軍ddh981“崔瑩號”導(dǎo)彈驅(qū)逐艦訪問俄羅斯符拉迪沃斯托克港，因遭遇低溫而艦體嚴(yán)重結(jié)冰，被稱為“凍冰棍”，震驚了全世界海軍。目前，各國對北極地區(qū)的開發(fā)越來越重視，極地航線的開通也成為了可能，然而，在寒區(qū)航行的艦船、船舶等會存在嚴(yán)重的覆冰現(xiàn)象，嚴(yán)重覆冰甚至改變了艦船、船舶的重心造成傾斜，并面臨傾覆的危險。艦船、船舶在低緯度寒區(qū)航行，特別是在極地地區(qū)，覆冰是長期存在的問題，目前已有的除冰方式并不適合于艦船、船舶表面，且消耗大量人力并且效率低下。

目前，除冰系統(tǒng)主要有機(jī)械除冰系統(tǒng)、化學(xué)液防/除冰系統(tǒng)和熱力防/除冰系統(tǒng)。機(jī)械除冰系統(tǒng)包括膨脹管除冰和電脈沖除冰，膨脹管除冰是利用飛機(jī)部件前緣表面上膨脹管的膨脹作用，使其外表面冰層脫落，由于艦船、船舶結(jié)冰面積較大，在艦船、船舶全表面布置膨脹管是不現(xiàn)實的，這種除冰方式不適合于艦船、船舶。電脈沖除冰是采用電容器組向線圈放電，進(jìn)而產(chǎn)生一個幅值高，持續(xù)時間極為短暫的機(jī)械力，使蒙皮在彈性范圍內(nèi)振動，進(jìn)而冰發(fā)生破裂而脫落，這種除冰方式只是針對薄蒙皮有效，但并不適用于艦船、船舶等厚鋼板材料。化學(xué)液防/除冰系統(tǒng)是利用化學(xué)防冰液和飛機(jī)部件上所收集的水相混合，使得混合液的冰點溫度低于表面溫度，使水不致在飛機(jī)表面上結(jié)冰，這種除冰方式僅僅可以保持幾分鐘，并且需要考慮防冰液對表面的化學(xué)腐蝕。熱力防/除冰系統(tǒng)包括氣熱防/除冰和電熱防/除冰，氣熱防/除冰一般從噴氣式飛機(jī)發(fā)動機(jī)內(nèi)引熱的氣流做熱源，通過控制閥門輸入蒙皮表面的加熱器，對表面進(jìn)行加熱以達(dá)到除冰，該技術(shù)工作可靠，但熱量利用率低，管線的布置較比復(fù)雜。電熱防/除冰是利用電能轉(zhuǎn)化為熱能，阻止結(jié)冰或除冰，這種除冰方式能源浪費較大。上述的除冰系統(tǒng)多為飛機(jī)表面的除冰來設(shè)計的，但對于低溫多濕環(huán)境下航行的艦船、船舶并不完全適用，基于上述技術(shù)來構(gòu)造適合于艦船、船舶的除冰系統(tǒng)不但復(fù)雜，且成本昂貴。

經(jīng)對現(xiàn)有技術(shù)的文獻(xiàn)檢索發(fā)現(xiàn)，中國申請公開號：cn105517215a、名稱為“一種低電壓透明電熱膜及其制備工藝、高溫電熱片及其制備工藝”的專利中，提出透明電熱膜包括玻璃透明基材、碳納米管或石墨烯透明導(dǎo)電層和電極；透明導(dǎo)電層形成于透明基材的至少一側(cè)；電極由匯流條和若干內(nèi)電極構(gòu)成，內(nèi)電極由匯流條相向延伸形成叉指電極；電極位于透明導(dǎo)電層上且與透明導(dǎo)電層電接觸，在低電壓(≤12v)下工作，達(dá)到預(yù)期的溫度(90℃～180℃)，該發(fā)明的是基于在室溫下測試結(jié)果，沒有考慮低溫下不同材料收縮效應(yīng)對材料導(dǎo)電和電熱不穩(wěn)定性能的影響，因而不適用于低溫條件下的使用。中國申請公開號：cn101704410a、名稱為“用于飛機(jī)防冰除冰的納米超疏水表面及其制備方法”的專利中，通過疏水微結(jié)構(gòu)以及疏水納米修飾膜構(gòu)筑的超疏水表面實現(xiàn)疏水微結(jié)構(gòu)并與飛機(jī)蒙皮基底上表面相連，二次疏水納米膜位于疏水微結(jié)構(gòu)上表面，通過80℃～100℃溫度下烘烤1～5小時，從而形成具有超疏水特性的功能表面，盡管該發(fā)明有延遲結(jié)冰的時間，但是一旦所構(gòu)筑的表面結(jié)冰，會增大冰與基體的粘接力，而所選納米膜固化溫度較大，這種方法存在設(shè)計復(fù)雜和實施困難。中國申請公開號：cn105032731a、名稱為“一種超疏水涂層與加熱涂層復(fù)合的節(jié)能防除冰涂層制備方法”的專利中，公開了一種超疏水涂層和加熱涂層復(fù)合的節(jié)能防除冰涂層制備方法，加熱涂層是采用耐高溫導(dǎo)電膠、電鍍導(dǎo)電薄膜、粘接金屬細(xì)網(wǎng)或鋪展電加熱膜等材料，在加熱層表面噴涂具有導(dǎo)熱特性的防水保護(hù)涂層，在防水保護(hù)涂層上噴涂具有導(dǎo)熱特性的超疏水涂層，并于兩端貼鋁箔作為電極，該方法具有涂層和電熱防冰兩者優(yōu)勢，然而該方法存在如下缺點：(1)導(dǎo)熱粒子采用的是石墨烯、碳納米管等材料，并沒有發(fā)揮材料導(dǎo)電性能，浪費材料。(2)加熱涂層是采用耐高溫導(dǎo)電膠、電鍍導(dǎo)電薄膜等材料，工藝復(fù)雜和界面層增多帶來實施的困難，環(huán)境適用性降低，難以實現(xiàn)便捷、低成本艦船防除冰性能。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是為了提供一種用于極端環(huán)境下艦船表面低耗能電熱防/除冰系統(tǒng)。

本發(fā)明的目的是這樣實現(xiàn)的：包括設(shè)置在船體基底上的電絕緣隔熱材料、設(shè)置在電絕緣隔熱材料上的低耗能快速升溫電熱層、設(shè)置在低耗能快速升溫電熱層上的微納米防冰涂層。

本發(fā)明還包括這樣一些結(jié)構(gòu)特征：

1.所述低耗能快速升溫電熱層的材料組成及其質(zhì)量百分比含量為：碳納米管顆粒0.1％～15％，石墨烯0.1％～5％，樹脂72％～88.9％，固化劑1％～3％，納米橡膠顆粒1％～10％。

2.所述微納米防冰涂層的材料組成及其質(zhì)量百分比含量為：微米顆粒5％～30％，納米顆粒5％～30％，低表面材料5％～20％，粘接劑20％～85％。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是：本發(fā)明的防/除冰系統(tǒng)具有低溫環(huán)境下電熱材料的熱穩(wěn)定性和低耗能快速電熱升溫性能，且加熱均本發(fā)明的防/除冰系統(tǒng)具有在消耗能量小于2.0w/cm²下使得微納米防冰涂層加熱至液滴形成冰核的溫度，并與船體表面的電絕緣、隔熱特征。本發(fā)明具有電熱功能和微納米防冰功能的協(xié)同效應(yīng)。本發(fā)明一方面徹底解決了傳統(tǒng)微納米涂層，因表面結(jié)冰，冰與基體的粘接力會增大的弊端，另一方面在低溫工作環(huán)境下(0℃～-40℃)，低耗能快速電熱層具有在40v以下低電壓，在30s時間內(nèi)，消耗能量小于2.0w/cm²下使得微納米防冰涂層加熱至液滴形成冰核的溫度，并具有低溫電熱材料的穩(wěn)定性，低耗能快速升溫電熱層和微納米防冰涂層的協(xié)同作用，減小水滴在艦船表面的粘滯力，有效降低了艦船表面的結(jié)冰程度，達(dá)到高效、低耗能的艦船表面防/除冰目的。

附圖說明

圖1是本發(fā)明一體化系統(tǒng)的各功能層示意圖；

圖2是微納米防冰涂層表面粗糙度微觀分布示意圖；

圖3是微納米防冰涂層表面微觀sem；

圖4是微納米防冰涂層表面疏水特性；

圖中：1.船體基底，2.電絕緣隔熱材料，3.低耗能快速升溫電熱層，4.微納米防冰涂層。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖與具體實施方式對本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)描述。

結(jié)合圖1至圖4，本發(fā)明包括：船體基底1，電絕緣隔熱材料2，低耗能快速升溫電熱層3和微納米防冰涂層4。電絕緣、隔熱材料與船體基底相連，低耗能快速升溫電熱層與電絕緣、隔熱材料連接，微納米防冰層與電熱層相連。

所述船體基底為船體表面，由鋼材或復(fù)合材料制備而成；所述電絕緣、隔熱材料包含但不限于三元乙丙橡膠、聚酰亞胺；所述的低電壓快速升溫電熱層包含但不限于碳納米管、石墨烯、納米橡膠顆粒；所述微納米防冰性能的涂層為微納米顆粒和低表面能材料。

所述低耗能快速升溫電熱層材料包含但不限于碳納米管、石墨烯，組成及其質(zhì)量百分比含量為：碳納米管顆粒0.1％～15％，石墨烯0.1％～5％，樹脂72％～88.9％，固化劑1％～3％，納米橡膠顆粒1％～10％

所述微納米防冰性能的涂層的組成及其質(zhì)量百分比含量為：微米顆粒5％～30％，納米顆粒5％～30％，低表面材料5％～20％，粘接劑20％～85％。

將電絕緣、隔熱材料2采用粘接或噴涂工藝與船體基底1相連，在將低耗能快速升溫電熱層3，采用高壓噴涂技術(shù)噴附和粘接與電絕緣、隔熱材料2，最后，把微納米防冰涂層4采用高壓噴涂技術(shù)噴附于低電壓快速升溫電熱層3，進(jìn)而建立了艦船表面防/除冰系統(tǒng)。當(dāng)艦船在低溫多濕環(huán)境下航行時，過冷水遇到微納米防冰涂層4，過冷水與微納米防冰涂層接觸角較大，在液滴形成冰核之前，水滴可以自由滑落，延遲結(jié)冰試件，即使結(jié)冰，低耗能快速升溫電熱層3，向?qū)⑽⒓{米防冰涂層4表面進(jìn)行溫度傳遞，電絕緣、隔熱材料2阻止溫度向船體內(nèi)部升溫，溫度控制在液滴形成冰核的溫度，進(jìn)行實現(xiàn)防/除冰一體化功能，提高了艦船表面的除冰效率，節(jié)省能源，達(dá)到優(yōu)異的綜合防/除冰效果。

綜上，本發(fā)明的防/除冰系統(tǒng)具有低溫環(huán)境下電熱材料的熱穩(wěn)定性和低耗能快速電熱升溫性能，且加熱均勻性良好；該防/除冰系統(tǒng)具有在消耗能量小于2.0w/cm2下使得微納米防冰涂層加熱至液滴形成冰核的溫度，并與船體表面的電絕緣、隔熱特征；該系統(tǒng)具有電熱功能和微納米防冰功能的協(xié)同效應(yīng)。