一种具有除冰功能的翼型前缘及翼型前缘的制备方法

摘要

本发明涉及一种具有除冰功能的翼型前缘及翼型前缘的制备方法。该翼型前缘包括：内层蒙皮、复合材料层和外层蒙皮；所述外层蒙皮和所述内层蒙皮为大小相同的矩形金属面板，所述外层蒙皮和所述内层蒙皮之间为所述复合材料层，所述外层蒙皮和所述复合材料层之间烧结一层导热导电墨水，并在所述内层蒙皮中与所述复合材料层不接触的表面上排布压电振子。本发明的翼型前缘可以提高除冰效果。

说明书

技术领域

本发明涉及机翼前缘设计领域，特别是涉及一种具有除冰功能的翼型前缘及翼型前缘的制备方法。

背景技术

翼型前缘包括机翼前缘及尾翼前缘，它们的主要功能包括产生升力、操纵方向和维持飞机的平衡。飞机在某些飞行条件下，作为迎风部件表面的翼型前缘会不可避免地受到两种最致命的威胁：一是高空飞鸟的撞击，二是云层中过冷水滴撞击所产生的结冰。鸟撞产生的变形及冰层的覆盖均会破坏翼面的流型进而引起翼型表面气流的分离，造成飞机气动和操纵性能的下降，因此飞机的防鸟撞及除防冰问题一直是颇受关注的世界性难题。传统的单一金属层翼型前缘及热空气除防冰显然已经不能满足人们对飞机安全裕度的要求。目前，解决上述鸟撞及结冰问题的飞机翼型前缘结构主要有以下几种：

(1)通过将热气防除冰系统与超声波高频振荡辅助装置相结合，实现热除冰与超声波除冰的双重保障。该结构的缺点是除冰装置过于复杂且超声振动的频率越高时产生的切向应力越小。

(2)通过在目标结构上粘贴固定压电振子并施加一定电压驱动信号，进而激励整个机翼前缘蒙皮振动，达到除冰目的。激励压电振子产生面内或面外行波除去冰层。该结构的缺点是仅仅采用压电片的振动激励机翼前缘蒙皮振动除冰，而不是通过压电片与飞机机翼自身模态形成共振状态，产生相应的切向应力除冰。

(3)通过采用纤维增强环氧树脂基复合材料与钛合金或铝合金制造翼型前缘。该结构的缺点是抗疲劳性能和温度适应性不能满足未来高超音速飞机等的发展需求。

发明内容

本发明的目的是提供一种具有除冰功能的翼型前缘及翼型前缘的制备方法，以提高翼型前缘的除冰效果。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种具有除冰功能的翼型前缘，包括：内层蒙皮、复合材料层和外层蒙皮；所述外层蒙皮和所述内层蒙皮为大小相同的矩形金属面板，所述外层蒙皮和所述内层蒙皮之间为所述复合材料层，所述外层蒙皮和所述复合材料层之间烧结一层导热导电墨水，并在所述内层蒙皮中与所述复合材料层不接触的表面上排布压电振子。

可选的，所述复合材料层为聚醚醚酮树脂中掺杂石墨烯的复合材料制成。

可选的，所述复合材料层包括：聚醚醚酮材料层和多层PEEK/Cf预浸料层。

可选的，所述复合材料层包括多层玻璃纤维增强环氧树脂基预浸料层。

可选的，所述压电振子以平行于所述内层蒙皮长边的方式规则排列在所述内层蒙皮的表面。

可选的，所述导热导电墨水为铜系导热导电墨水。

本发明还提供一种翼型前缘的制备方法，包括：

裁制两块相同大小的矩形金属面板分别作为内层蒙皮和外层蒙皮；

在所述外层蒙皮上涂覆一层导热导电墨水；

在所述导热导电墨水部分溶剂挥发后，铺设复合材料层；所述复合材料层为聚醚醚酮树脂中掺杂石墨烯的复合材料制成；

在所述复合材料层上覆盖所述内层蒙皮，制成翼型前缘；

将所述翼型前缘在真空环境下，上模下行，并加热至所需温度，保温保压至导热导电墨水烧结以及复合材料层固化成型后，随炉保压冷却，冷却后上模上行，取出所述翼型前缘；

在所述翼型前缘的内层蒙皮上排布压电振子，并进行固定。

可选的，所述裁制两块相同大小的矩形金属面板分别作为内层蒙皮和外层蒙皮，之后还包括：

将所述内层蒙皮和所述外层蒙皮依次清洗并进行阳极氧化处理和希夫碱钛配合物接枝处理。

可选的，所述在所述导热导电墨水部分溶剂挥发后，铺设复合材料层，具体包括：

在所述导热导电墨水部分溶剂挥发后，铺设聚醚醚酮材料层；

在所述聚醚醚酮材料层上铺设多层PEEK/Cf预浸料层；

在多层PEEK/Cf预浸料层上再铺设聚醚醚酮材料层，形成所述复合材料层。

可选的，所述在所述导热导电墨水部分溶剂挥发后，铺设复合材料层，具体包括：

在所述导热导电墨水部分溶剂挥发后，铺设多层玻璃纤维增强环氧树脂基预浸料层，形成所述复合材料层。

根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：

本发明采用铜系导热导电墨水烧结导电图案工艺，实现在机翼前缘外蒙皮内侧导电并产生焦耳热，实现电热除冰效果，并作为复合材料层与蒙皮之间介质，提高了复合材料层与蒙皮之间的导热性能，使得复合材料层产生的热传递到蒙皮中有更少的损耗。而且本发明采用排布的压电振子激发出低阶共振现象，利用共振状态下平板表面冰层粘附界面处的显著面外剪应力除去冰层，达到最佳的压电除冰效果，该方式具有能耗低，除冰彻底，结构简单等优点。

综上，本发明采用压电振子、导电墨水和复合材料层板的设计，使翼型前缘兼备电热除冰和压电共振除冰的功能。

附图说明

为了更清楚地说明本发明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发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明翼型前缘的结构示意图；

图2为本发明压电振子的排布示意图一；

图3为本发明压电振子的排布示意图二；

图4为本发明实施例1中导热导电墨水打印图案示意图；

图5为本发明实施例2中导热导电墨水打印图案示意图；

图6为本发明实施例3中导热导电墨水打印图案示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

图1为本发明具有除冰功能的翼型前缘的结构示意图，如图1所示，本发明的翼型前缘包括内层蒙皮1、复合材料层2和外层蒙皮3。所述外层蒙皮3和所述内层蒙皮1为大小相同的矩形金属面板，例如，可以为铝合金板、铝板或钛合金板等。所述外层蒙皮3和所述内层蒙皮1之间为所述复合材料层2，复合材料层2为聚醚醚酮树脂中掺杂石墨烯的复合材料制成，本发明采用碳纤维增强热塑性树脂聚醚醚酮基复合材料取代传统复合材料制造翼型前缘，使翼型前缘具有更高的比强度和比刚度，优良的疲劳性能和抗冲击性能，兼备高断裂韧性及高服役温度和高损伤容限。例如，复合材料层2可以包括聚醚醚酮材料层和多层PEEK/Cf预浸料层，图1中示意的复合材料层包括两层聚醚醚酮材料层2-1、2-3和四层PEEK/Cf预浸料层2-2，四层PEEK/Cf预浸料层2-2位于置两层聚醚醚酮材料层2-1和2-3之间。复合材料层2还可以包括多层玻璃纤维增强环氧树脂基预浸料层。复合材料层2中预浸料的铺层次序及纤维方向可根据不同的强度刚度要求进行自由设计。

所述外层蒙皮3和所述复合材料层2之间烧结一层导热导电墨水，烧结图案集中于机翼前缘蒙皮与复合材料层接触的位置。本发明中导热导电墨水采用铜系导电墨水，在热压后即将形成机翼前缘的部分涂覆特定的图案，并在真空热压成型过程中实现烧结。

在所述内层蒙皮1中与所述复合材料层2不接触的表面上还排布压电振子，压电振子以平行于所述内层蒙皮1长边的方式规则排列在所述内层蒙皮1的表面，排布方式如图2和图3所示。压电振子可以为压电陶瓷片，也可以采用PZT-8驱动压电片激励结构。

本发明利用两种除冰方式：

电热除冰方式：采用石墨烯掺杂的复合材料层，由于焦耳效应，在通电后能产生焦耳热，实现电热除冰效果，配合导热导电墨水烧结导电图案工艺实现在机翼前缘外蒙皮内侧导电并产生焦耳热，实现电热除冰效果，并作为复合材料层与蒙皮之间介质，提高了复合材料层与蒙皮之间的导热性能，使得复合材料层产生的热传递到蒙皮中有更少的损耗。

导电油墨可以算作电子浆料的一种，有时也称作电子墨水，都是以溶剂作为载体再加入导电性颗粒(可以是微米尺寸或者纳米尺寸)作为导电功能相，再加入其它添加剂，改善其印刷性能，烧结固化后具有电导性。导电油墨体系里，有无数个导电粒子均匀分散在油墨溶剂中，彼此互不接触，是不具有导电性的。当油墨在高温下烧结固化后，溶剂挥发掉，导电颗粒收缩相互靠近，并连接成网状结构，此时该网状结构具有导电性，自由电子可以在外加电场下移动形成电流。导电油墨的导电机理可以通过电子隧道效应解释，当两个导电粒子之间有一层很薄的绝缘膜(大约1nm)时，就构成了一个电子隧道结，此时电子可以通过绝缘层，在两个导电粒子之间施加电压，就会形成导通。对于纳米金属导电油墨来说，在烧结后除了金属外，其余溶剂和其它添加剂成分全部挥发掉，纳米金属粒子熔化形成连续的导线，那么其导电机理就和传统导线的导电机理完全一样。

压电振动除冰：采用平行于直边排布的压电振子激发出低阶共振现象，利用共振状态下平板表面冰层粘附界面处的显著面外剪应力除去冰层，达到最佳的压电除冰效果。压电振动除冰即通过压电元件驱动结构产生振动，利用振动状态下的表面剪应力及冲击力除去附着冰层，是一种新型的机械式防除冰方法。根据激励频率的高低可以将压电振动除冰方法细分为高频段超声纵波剪应力除冰方法及低频段压电共振除冰技术，不同于超声SH波在界面处产生的纯粹剪应力，压电元件可以激励结构产生低阶共振现象，利用共振状态下平板表面冰层粘附界面处的显著面外剪应力除去冰层。

基于上述翼型前缘，本发明还提供一种翼型前缘的制备方法，具体包括以下步骤：

裁制两块相同大小的矩形金属面板分别作为内层蒙皮和外层蒙皮；

将成型后内层蒙皮和外层蒙皮依次清洗并进行阳极氧化处理和希夫碱钛配合物接枝处理；

在所述外层蒙皮上涂覆一层导热导电墨水；

在所述导热导电墨水部分溶剂挥发后，铺设复合材料层；所述复合材料层为聚醚醚酮树脂中掺杂石墨烯的复合材料制成；

在所述复合材料层上覆盖所述内层蒙皮，制成翼型前缘；

将所述翼型前缘在真空环境下，上模下行，并加热至所需温度，保温保压至导热导电墨水烧结以及复合材料层固化成型后，随炉保压冷却，冷却后上模上行，取出所述翼型前缘；

在所述翼型前缘的内层蒙皮上排布压电振子，并进行固定。

在上述步骤中，当内层蒙皮或外层蒙皮为铝合金板时，需要依次经过除油、碱洗和酸洗进行清洁，并采用酸性溶液进行阳极氧化处理；当内层蒙皮或外层蒙皮为钛合金板时，则需要依次经过除油和酸洗进行清洁，采用碱性溶液进行阳极氧化处理，并进行希夫碱钛配合物接枝处理。

下面提供几个具体实施例，进一步说明本发明翼型前缘的具体制备过程。

实施例1

第一步，依据机翼前缘展开尺寸的计算结果，裁制出两块与机翼前缘展开尺寸相应且厚度为0.3mm的TC4板作为内外蒙皮；选取连续单向碳纤维/聚醚醚酮预浸料，单层厚度为0.125mm；选取厚度为0.1mm的聚醚醚酮(PEEK)薄膜。

第二步，将内外蒙皮依次进行除油、酸洗去除氧化膜、水洗烘干、超声波辅助碱性溶液阳极氧化处理和水洗烘干；将PEEK/Cf预浸料及PEEK薄膜进行除油除渍操作，利用丙酮漂洗，然后水洗烘干；

第三步，在前处理过的TC4外蒙皮上涂覆一层铜系导热导电墨水，导热导电墨水的图案如图4所示，在导热导电墨水部分溶剂挥发后，继续铺设一层聚醚醚酮薄层，再铺设四层厚度为0.125mm的单向PEEK/Cf预浸料层，最后铺设一层与第一层一样的聚醚醚酮薄层至复合材料层所要求的厚度，并覆盖内蒙皮；

第四步，打开抽真空装置，使得设备和材料处于真空环境。

第五步，热压过程：第一阶段升温预热：将按次序铺叠好的蒙皮与复合材料层放入平板模具中随炉升温至390℃；第二阶段保温阶段：保温15min至板料各处温度均衡保持在390±1℃范围内；第三阶段加压阶段：保温条件下，液压增压系统工作，保持0.6MPa压力20min，确保界面层内树脂的充分流动，导电墨水液相充分挥发以及气孔的排出；第四阶段冷却阶段：关闭加热系统，为避免PEEK急剧冷却收缩引起的较大层间残余应力，采用随炉保压冷却，即缓慢冷却的同时利用压力下树脂的微变形平衡内部残余应力。TC4/PEEK/Cf混杂层板热压制备成功后用丙酮漂洗除油，并在清水下冲洗干净后烘干封存。本发明的热压过程要保证在真空环境下进行，同时实现热压工艺与导电墨水烧结工艺，使得导电墨水不被氧化，保证其导电性。

第六步，在内蒙皮相应位置排布压电元件。

实施例2

第一步，依据机翼前缘展开尺寸的计算结果，裁制出两块与机翼前缘展开尺寸相应且厚度为0.3mm的2224铝合金板作为内外蒙皮；选取玻璃纤维增强环氧树脂基预浸料，单层厚度为0.125mm。

第二步，将内外蒙皮依次进行除油、酸洗去除氧化膜、水洗烘干、超声波辅助碱性溶液阳极氧化处理和水洗烘干；将玻璃纤维增强环氧树脂基预浸料进行除油除渍操作，利用丙酮漂洗，然后水洗烘干；

第三步，在前处理过的2224铝合金外蒙皮上涂覆一层铜系导热导电墨水，导热导电墨水的图案如图5所示，在导热导电墨水部分溶剂挥发后，继续铺设六层厚度为0.125mm的玻璃纤维增强环氧树脂基预浸料层至复合材料层所要求的厚度，并覆盖内蒙皮；

第四步，打开抽真空装置，使得设备和材料处于真空环境。

第五步，第一阶段升温预热：将按次序铺叠好的蒙皮与复合材料层放入平板模具中随炉升温至130℃；第二阶段保温阶段：保温15min至板料各处温度均衡保持在130±1℃范围内；第三阶段加压阶段：保温条件下，液压增压系统工作，保持0.6MPa压力20min，确保界面层内树脂的充分流动，导电墨水液相充分挥发以及气孔的排出；第四阶段冷却阶段：关闭加热系统，为避免PEEK急剧冷却收缩引起的较大层间残余应力，采用随炉保压冷却，即缓慢冷却的同时利用压力下树脂的微变形平衡内部残余应力。混杂层板热压制备成功后用丙酮漂洗除油，并在清水下冲洗干净后烘干封存；

第六步，在内蒙皮相应位置排布压电元件。

实施例3：

第一步，依据机翼前缘展开尺寸的计算结果，裁制出两块与机翼前缘展开尺寸相应且厚度为0.3mm的TC4板作为内外蒙皮；选取连续单向碳纤维/聚醚醚酮预浸料，单层厚度为0.125mm；选取厚度为0.1mm的聚醚醚酮(PEEK)薄膜。

第二步，将内外蒙皮依次进行除油、酸洗去除氧化膜、水洗烘干、超声波辅助碱性溶液阳极氧化处理和水洗烘干；将PEEK/Cf预浸料及PEEK薄膜进行除油除渍操作，利用丙酮漂洗，然后水洗烘干；

第三步，在前处理过的TC4外蒙皮上涂覆一层铜系导热导电墨水，导热导电墨水的图案如图6所示，在导热导电墨水部分溶剂挥发后，继续铺设一层聚醚醚酮薄层，再铺设四层厚度为0.125mm的单向PEEK/Cf预浸料层，最后铺设一层与第一层一样的聚醚醚酮薄层至复合材料层所要求的厚度，并覆盖内蒙皮；

第四步，打开抽真空装置，使得设备和材料处于真空环境。

第五步，热压过程：第一阶段升温预热：将按次序铺叠好的蒙皮与复合材料层放入平板模具中随炉升温至390℃；第二阶段保温阶段：保温15min至板料各处温度均衡保持在390±1℃范围内；第三阶段加压阶段：保温条件下，液压增压系统工作，保持0.6MPa压力20min，确保界面层内树脂的充分流动，导电墨水液相充分挥发以及气孔的排出；第四阶段冷却阶段：关闭加热系统，为避免PEEK急剧冷却收缩引起的较大层间残余应力，采用随炉保压冷却，即缓慢冷却的同时利用压力下树脂的微变形平衡内部残余应力。TC4/PEEK/Cf混杂层板热压制备成功后用丙酮漂洗除油，并在清水下冲洗干净后烘干封存；

第六步，在内蒙皮相应位置排布压电元件。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。