本發(fā)明屬于防冰除冰系統(tǒng)技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種新型的多層結(jié)構(gòu)復合的防冰除冰系統(tǒng)及其組裝方法。

背景技術(shù)：

雖然覆冰和積雪是一種自然現(xiàn)象，但會對工業(yè)生產(chǎn)和交通出行等帶來諸多不變，甚至造成巨大危害，比如會導致各類大型電力系統(tǒng)的故障，對飛機和輪船等造成重大安全隱患，壓垮房屋等等。尤其是在航天航空領(lǐng)域，在覆冰的情況下，飛行器的重量會大幅度增加，這會加重飛行器的負擔，增加能源消耗，甚至嚴重威脅飛行器的正常使用。

一般來說，物體表面覆冰是由于各種氣象原因形成的，其中主要包括溫度、濕度、風速和空氣對流等環(huán)境因素。最直接的覆冰現(xiàn)象就是在低溫環(huán)境下過冷水凝結(jié)成冰，或者是積雪融化后殘留在物體表面的過冷水重新結(jié)成冰。而像飛機等航天航空飛行器在穿越云層時，有時會遇到過冷的水滴，這種水滴極不穩(wěn)定，且體積非常小，一旦遇到機體就會浸潤機體表面。如果環(huán)境溫度低于冰點，這些水滴就會在表面結(jié)冰，且隨著冰面不斷地被浸濕，新的冰層又會不斷地形成，致使冰層的厚度越來越大，使得飛機整體覆冰量明顯增加。

隨著氣候的變化，極端天氣下覆冰影響帶來的不良后果日趨明顯，一些學者也一直在尋找經(jīng)濟、環(huán)保、除冰效果明顯或具有多功能的除冰方式。現(xiàn)如今，傳統(tǒng)的除冰方法主要有以下幾類：

機械除冰法：一種是利用人工敲打、刮擦等方式除冰。這種方法的除冰效率過低，且受地理、環(huán)境因素影響較大，除冰效果十分有限；另一種是利用電機或者超聲波與物體產(chǎn)生共振，總從達到除冰的效果。但是這一類方法能耗較大，使用的范圍也受到很大限制。

電熱除冰法：利用電能轉(zhuǎn)化成熱能，然后使得冰層融化。這一除冰方法是目前輸電線除冰最有效的，不僅效果明顯，而且操作簡單，可控性強。這種除冰方式能耗過大，且要保證電力充足，線路完好暢通，盡管如此，電熱除冰法仍是現(xiàn)在較為常用和有效的除冰方法。

防覆冰涂料：主要包括超疏水型防覆冰涂料、光熱型防覆冰涂料和電熱型防覆冰涂料等。超疏水型防覆冰涂料主要通過其表面超疏水性質(zhì)，減少表面水滴殘留，同時也減小了冰在其表面的附著結(jié)合力，所以防覆冰和除冰時的效果顯著；光熱型防覆冰涂料主要通過吸收太陽能來提高物體表面溫度，從而使物體表面溫度在水的冰點以上，從而達到防覆冰的要求。但是這種方式受天氣影響過大，實際效果差，故應(yīng)用前景較?。浑姛嵝头栏脖苛现饕抢猛苛现械纳倭繉щ娢镔|(zhì)，使得涂料呈現(xiàn)半導體性能，通過電流傳輸過程中的微小泄露電流產(chǎn)生電熱，從而達到除冰效果。但是這種方式電能的損耗較大且使用效果有限，所以應(yīng)用受到較大限制。

在上述方法中，機械除冰法、電熱除冰法和防覆冰涂料法三種方法都有著各自的防/除冰功能和優(yōu)缺點，如何將三者的優(yōu)點結(jié)合起來將是未來防冰除冰系統(tǒng)的主要方向之一。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

針對現(xiàn)有技術(shù)中存在的上述問題，本發(fā)明通過結(jié)合機械除冰、電熱除冰和超疏水材料防覆冰的特點，提出了一種多層結(jié)構(gòu)復合的防冰除冰系統(tǒng)及其組裝方法，它將具有超疏水特性功能的防水層、具有雙穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)的碳纖維環(huán)氧樹脂復合材料層和具有通電后產(chǎn)生電熱功能的電熱合金層結(jié)合成一個整體，從而形成一個多層結(jié)構(gòu)復合功能的、高效的防冰除冰系統(tǒng)。

所述的一種多層結(jié)構(gòu)復合的防冰除冰系統(tǒng)，為三層復合結(jié)構(gòu)，其特征在于由雙穩(wěn)態(tài)復合材料層及通過耐熱膠貼覆于雙穩(wěn)態(tài)復合材料層上、下表面的防水層和電熱合金層構(gòu)成；所述雙穩(wěn)態(tài)復合結(jié)構(gòu)層由至少一層環(huán)氧樹脂層和鋪設(shè)在環(huán)氧樹脂層內(nèi)部的碳纖維構(gòu)成。

所述的一種多層結(jié)構(gòu)復合的防冰除冰系統(tǒng)，其特征在于防水層包括金屬基底，金屬基底一面通過耐熱膠貼覆于環(huán)氧樹脂層上表面，金屬基底另一面上設(shè)有超疏水結(jié)構(gòu)層。

所述的一種多層結(jié)構(gòu)復合的防冰除冰系統(tǒng)，其特征在于金屬基底為銅箔材料基底。

所述的一種多層結(jié)構(gòu)復合的防冰除冰系統(tǒng)，其特征在于電熱合金層包括貼覆于環(huán)氧樹脂層下表面的聚酰亞胺膜，聚酰亞胺膜內(nèi)設(shè)有電熱合金電路，電熱合金電路的兩端設(shè)有點紅膠，兩端的點紅膠分別通過導線連接電源正、負極。

所述的一種多層結(jié)構(gòu)復合的防冰除冰系統(tǒng)，其特征在于碳纖維在環(huán)氧樹脂層上的鋪設(shè)方式為0-90^o任意角度鋪設(shè)。

所述的多層結(jié)構(gòu)復合的防冰除冰系統(tǒng)的組裝方法，其特征在于包括如下步驟：

1）用耐高溫軟膠將金屬基底貼覆在雙穩(wěn)態(tài)復合材料層上表面，85-95℃固化18-22min；然后通過化學腐蝕法對金屬基底另一面進行處理，形成超疏水結(jié)構(gòu)層，得到具有超疏水特性的雙穩(wěn)態(tài)復合材料層；

2）用耐高溫軟膠將電熱合金層貼覆在步驟1）得到的雙穩(wěn)態(tài)復合材料層下表面，在85-95℃的烘箱中固化18-22min，取出后自然冷卻到室溫，得到產(chǎn)品多層結(jié)構(gòu)復合的防冰除冰系統(tǒng)。

所述的一種多層結(jié)構(gòu)復合的防冰除冰系統(tǒng)的組裝方法，其特征在于防水層與雙穩(wěn)態(tài)復合結(jié)構(gòu)層復合后，進行反應(yīng)前依次用稀硫酸、水進行洗滌。

所述的一種多層結(jié)構(gòu)復合的防冰除冰系統(tǒng)的組裝方法，其特征在于化學腐蝕法具體如下：防水層另一表面先在堿性條件下，與氧化劑反應(yīng)，反應(yīng)結(jié)束后再得低表面能物質(zhì)進行反應(yīng)，得到超疏水結(jié)構(gòu)層，實現(xiàn)防水、防覆冰功能。

所述的一種多層結(jié)構(gòu)復合的防冰除冰系統(tǒng)的組裝方法，其特征在于堿性條件所用的堿為氨水、氫氧化鉀、碳酸鈉、碳酸氫鈉、乙酸鈉或次氯酸鈉，氧化劑為過硫酸鉀，反應(yīng)溫度為68-72℃，反應(yīng)時間為0.9-1.1h，反應(yīng)結(jié)束后用去離子水反復清洗。

所述的一種多層結(jié)構(gòu)復合的防冰除冰系統(tǒng)的組裝方法，其特征在于低表面能物質(zhì)為硬脂酸的乙醇溶液，反應(yīng)溫度為55-70℃，反應(yīng)時間為18-23min，取出后再放入100℃的烘箱中烘干。

通過采用上述技術(shù)，與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果如下：

1）本發(fā)明通過結(jié)合機械除冰、電熱除冰和超疏水材料防覆冰的特點，提出了一種多層結(jié)構(gòu)復合的防冰除冰系統(tǒng)，它將具有超疏水特性功能的防水層、具有雙穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)的碳纖維環(huán)氧樹脂復合材料層和具有通電后產(chǎn)生電熱功能的電熱合金層結(jié)合成一個整體，從而形成一個多層結(jié)構(gòu)復合功能的、高效的防冰除冰系統(tǒng)，它將具有防水、防覆冰、電熱除冰和機械除冰的功能，能起到有效防覆冰、快速除冰的效果，可應(yīng)用于多種不同的場合，可根據(jù)不同應(yīng)用領(lǐng)域而做出相應(yīng)調(diào)整，如飛機螺旋槳、風力發(fā)電機和汽車部件等，且使用效果良好、操作簡易、方便控制，應(yīng)用領(lǐng)域廣泛。

附圖說明

圖1是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2是本發(fā)明的防水層表面示意圖；

圖3是本發(fā)明實施例中的雙穩(wěn)態(tài)復合材料層的碳纖維的鋪設(shè)方式示意圖；

圖4是本發(fā)明的電熱合金層的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖5是本發(fā)明的雙穩(wěn)態(tài)復合材料層結(jié)構(gòu)變形圖。

圖中：1-防水層，11-超疏水結(jié)構(gòu)層，12-金屬基底，13-水滴，2-雙穩(wěn)態(tài)復合材料層，21-碳纖維，211-0^o鋪設(shè)的碳纖維，212-90^o鋪設(shè)的碳纖維，22-環(huán)氧樹脂層，3-電熱合金層，31-聚酰亞胺膜，32-電熱合金電路，33-點紅膠，34-導線。

具體實施方式

本發(fā)明通過以下非限制的實施例對本發(fā)明進行進一步的說明，但需要了解所述實施例僅用以對本發(fā)明技術(shù)方案的解釋說明，而不是對本發(fā)明加以限定。

如圖1-5所示，本發(fā)明的一種多層結(jié)構(gòu)復合的防冰除冰系統(tǒng)，為三層復合結(jié)構(gòu)：上層為防水層1，中間層為雙穩(wěn)態(tài)復合材料層2，下層為電熱合金層3，防水層1和電熱合金層3通過耐熱膠貼覆于雙穩(wěn)態(tài)復合材料層2上、下表面；所述雙穩(wěn)態(tài)復合結(jié)構(gòu)層2由至少一層環(huán)氧樹脂層22和鋪設(shè)在環(huán)氧樹脂層22內(nèi)部的碳纖維21構(gòu)成，碳纖維21在環(huán)氧樹脂層22上的鋪設(shè)方式為0-90^o任意角度鋪設(shè)，如圖5所示，本發(fā)明實施例中的雙穩(wěn)態(tài)復合結(jié)構(gòu)層2由兩層環(huán)氧樹脂層22和鋪設(shè)在每層環(huán)氧樹脂層22內(nèi)的碳纖維21構(gòu)成，下層環(huán)氧樹脂層22的碳纖維21為90^o鋪設(shè)的碳纖維212，上層環(huán)氧樹脂層22的碳纖維21為0^o鋪設(shè)的碳纖維211。

本發(fā)明的多層結(jié)構(gòu)復合的防冰除冰系統(tǒng)的組裝方法，包括如下步驟：

1）用耐高溫軟膠將金屬基底12貼覆在雙穩(wěn)態(tài)復合材料層2上表面，85-95℃固化18-22min，依次用稀硫酸、水進行洗滌；然后通過化學腐蝕法對金屬基底12另一面進行處理，形成超疏水結(jié)構(gòu)層11，得到具有超疏水特性的雙穩(wěn)態(tài)復合材料層，化學腐蝕法具體如下：防水層另一表面先在堿性條件下，與氧化劑反應(yīng)，反應(yīng)結(jié)束后再得低表面能物質(zhì)進行反應(yīng)，得到超疏水結(jié)構(gòu)層，實現(xiàn)防水、防覆冰功能，所述的堿性條件所用的堿為氨水、氫氧化鉀、碳酸鈉、碳酸氫鈉、乙酸鈉或次氯酸鈉，氧化劑為過硫酸鉀，反應(yīng)溫度為68-72℃，反應(yīng)時間為0.9-1.1h，反應(yīng)結(jié)束后用去離子水反復清洗；所述的低表面能物質(zhì)為硬脂酸的乙醇溶液，反應(yīng)溫度為55-70℃，反應(yīng)時間為18-23min，取出后再放入100℃的烘箱中烘干；

2）用耐高溫軟膠將電熱合金層3貼覆在步驟1）得到的雙穩(wěn)態(tài)復合材料層2下表面，在85-95℃的烘箱中固化18-22min，取出后自然冷卻到室溫，得到產(chǎn)品多層結(jié)構(gòu)復合的防冰除冰系統(tǒng)。

如圖2所示，本發(fā)明的防水層1包括金屬基底12，金屬基底12一面通過耐熱膠貼覆于環(huán)氧樹脂層22上表面，金屬基底12另一面上設(shè)有超疏水結(jié)構(gòu)層11，本發(fā)明實施例中的金屬基底12為銅箔基底，具有防水層1的雙穩(wěn)態(tài)復合材料層2的制備如下：將銅箔分別用丙酮、去離子水、無水乙醇在超聲環(huán)境中清洗5min并快速烘干；用耐高溫軟膠將銅箔貼覆在雙穩(wěn)態(tài)復合材料層2的上表面，并加熱固化，取出后用1mol/l稀硫酸酸洗2min，再用去離子水清洗，將處理過的銅箔傾斜放置于0.06mol/l的過硫酸鉀和2mol/l的氫氧化鈉的混合溶液中，并用水浴加熱，恒溫70℃反應(yīng)1h，反應(yīng)后將取出，用去離子水反復清洗，取出后傾斜放置于0.1mol/l的硬脂酸的乙醇溶液中并用水浴加熱，恒溫70℃反應(yīng)20min，取出后再放入100℃的烘箱中烘干，銅箔基底的另一表面得到超疏水結(jié)構(gòu)層11，即可得具有超疏水特性表面的雙穩(wěn)態(tài)復合材料層2。

如圖4所示，本發(fā)明的電熱合金層3包括貼覆于環(huán)氧樹脂層22下表面的聚酰亞胺膜31，聚酰亞胺膜31內(nèi)設(shè)有電熱合金電路32，電熱合金電路32的兩端設(shè)有點紅膠33，兩端的點紅膠33分別通過導線34連接電源正、負極；本發(fā)明利用耐高溫軟膠將電熱合金層3貼覆于環(huán)氧樹脂層22下表面的下表面；雙穩(wěn)態(tài)復合材料層2利用電熱合金層3產(chǎn)生的電熱發(fā)生形態(tài)的轉(zhuǎn)變，并且所述防水層1和所述電熱合金層3隨著所述雙穩(wěn)態(tài)復合材料層2的形態(tài)變化而變化；通過所述電熱合金層3通電產(chǎn)生電熱融化冰層和所述雙穩(wěn)態(tài)復合材料層2形態(tài)變化使冰和水快速脫離，從而實現(xiàn)快速除冰以及預防短時間內(nèi)二次覆冰的功能。

本發(fā)明防水層1的超疏水結(jié)構(gòu)層11具有較高的疏水性能和自清潔功能，能有效防止灰塵、水滴13和冰在表面的附著，且效果顯著；本發(fā)明工作過程如下：產(chǎn)品通過給電熱合金層3的聚酰亞胺膜31通電后可產(chǎn)生電熱，其除冰原理如下：驅(qū)動雙穩(wěn)態(tài)復合材料層發(fā)生穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)變，從而產(chǎn)生機械力使冰層脫離；同時，系統(tǒng)間傳遞的熱量可以使系統(tǒng)表面的冰層融化，起到快速除冰的效果，配合系統(tǒng)表面超疏水特性和雙穩(wěn)態(tài)復合材料層的機械力作用，可以使冰和水脫離系統(tǒng)表面，起到除冰和防止二次覆冰的效果；

其防冰原理如下：通過超疏水結(jié)構(gòu)層11的超疏水特性達到高效防水的效果，從而降低結(jié)冰風險，當發(fā)生覆冰現(xiàn)象時可以減少冰層的粘附力，起到防覆冰的作用。

本發(fā)明的三個部分不同的功能相互協(xié)同，具有防水、防覆冰、電熱除冰和機械除冰的功能，能起到有效防覆冰、快速除冰的效果。本發(fā)明可應(yīng)用于多種不同的場合，可根據(jù)不同應(yīng)用領(lǐng)域而做出相應(yīng)調(diào)整，如飛機螺旋槳、風力發(fā)電機和汽車部件等，且使用效果良好、操作簡易、方便控制，應(yīng)用領(lǐng)域廣泛。

實施例1：如圖所示，本發(fā)明作為試驗，其防水層1的規(guī)格設(shè)置為20mm×40mm，雙穩(wěn)態(tài)復合材料層2規(guī)格為140mm×140mm。由于防水層1在制備時已經(jīng)與雙穩(wěn)態(tài)復合材料層2整合，所以在雙穩(wěn)態(tài)復合材料層2下表面施加耐高溫軟膠，將電熱合金層3貼在其下表面，并在80℃的烘箱中固化，取出后自然冷卻到室溫即可，防水、防覆冰功能是所制防水層1的固有特性，在非極端環(huán)境下，防覆冰效果突出，而通過導線34與穩(wěn)壓電源相連，調(diào)節(jié)電流大小即可使用電熱除冰功能，融化冰層；同時，雙穩(wěn)態(tài)復合材料層2在電熱驅(qū)動下，能夠發(fā)生穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)變，即可產(chǎn)生較大的形變，如圖5所示，圖5中a點的位置隨著雙穩(wěn)態(tài)復合材料層2形態(tài)的變化而產(chǎn)生變動，從而發(fā)揮機械除冰功能。