[发明专利]一种具有防覆冰功能的聚合物材料及其一体化成型方法

说明书

一种具有防覆冰功能的聚合物材料一体化成型方法，通过设计模具表面结构和调整复合材料成型热压参数，实现防覆冰功能结构与聚合物基材料一体化成型。本发明提供的一种具有防覆冰功能的聚合物材料及其一体化成型方法具有以下优势：制备聚合物基材料与在材料上集成防覆冰微结构两个功能同时完成，与传统技术相比，操作简单，结构成型性好，微结构分布均匀；制得的聚合物材料具有表面对液态水超疏水特性，显著延长过冷液滴结冰时间，使过冷液滴有足够时间脱离表面；具有极低的冰粘附强度，覆冰能在自然风力或重力作用下从材料表面脱落，可用于暴露在极端环境中的机器设备外表面覆盖件，对风力机及飞机防除冰技术发展具有重要实践意义。

技术领域

本发明属于复合材料加工技术及表面改性技术领域，具体涉及一种具有防覆冰功能的聚合物材料及其一体化成型方法。

背景技术

聚合物基复合材料一般指连续纤维/短纤维增强的树脂基复合材料。纤维的高强度、高模量特性使其成为理想的承载体。基体材料粘结性能好，把纤维牢固地粘结起来，同时基体又能使载荷均匀分布，并传递给纤维，允许纤维承受压缩和剪切载荷。纤维和基体之间的良好复合显示了各自的优势，并能实现最佳结构设计，具有具有轻量、高强度、高刚度的特性，已广泛应用在国防和民生领域。如美国将玻璃纤维复合材料用于制作火箭的发动机壳体、燃料用的高压容器和直升机旋翼桨叶等。国内C919飞机蒙皮使用大量复合材料层板。本发明中涉及到的聚合物基复合材料主要应用在航空飞行器表面蒙皮和风力发电机领域。

高空无人机、载人客机等飞行器表面结冰会影响风阻，造成能耗增大，大幅降低续航时间，关键部位结冰甚至有坠机风险。防除冰技术研究具有重要意义。

区别于电加热、机械振动等主动除冰技术，防覆冰技术是一种新兴的利用材料本征属性阻碍或延迟材料表面结/覆冰的技术。提升材料的防冰性能主要有两种思路：1)通过构建分级微纳结构和低表面能修饰的方法，提高材料表面的超疏水性，延缓过冷液滴的冻结和降低材料的冰点，使过冷液滴在冻结前能够及时依靠风力、自身重力等外力作用离开飞行器表面；2)通过在材料表面设置宏观和微观裂纹源的方法，降低冰与基体间冰粘附强度，控制冰层位置与形状，使冰层在生长初期就因风力、自身重力等外力作用断裂脱离材料表面。本发明综合以上两种设计思路。

现有在复合材料上集成防覆冰功能方法的技术路线皆为先制备复合材料，后在复合材料上构筑防覆冰结构。如专利CN105504324A一种具有超疏水仿生表面的树脂基复合材料及其制备方法中，其制备方法需要对成型好的复合材料清洗打磨，随后还需要激光加工微结构和喷涂疏水涂层等程序，具有步骤繁琐、成本高、微结构强度不稳定的缺点。

发明内容

本发明的目的在于提出一种具有防覆冰功能的聚合物材料及其一体化成型方法，以解决当前技术在制备具有防覆冰功能的复合材料时成本高、步骤多和性能不稳定的问题。

针对现有传统技术手段先成型复合材料后构建功能微纳结构的方法，本发明提供了一种具有防覆冰功能的聚合物材料一体化成型方法，能实现对覆冰的被动防护，具体方法包括以下步骤：

(1)精密机械加工方法制备闭合金属模具，清洗备用，并预涂脱模剂；

(2)裁剪纤维布至合适形状，之后包裹芯材，制得干态纤维预制成型体；

(3)混合树脂、固化剂和低表面能修饰剂，获得液态聚合物混合物；

(4)将所述干态纤维预制成型体置于所述闭合金属模具中，合模后将混合好的所述液态聚合物混合物注入所述干态纤维预制成型，并抽真空，获得制件；

(5)设置热压机的压力和温度，所述制件在所述闭合金属模具中固化一定时间，控制所述固化的压力和温度，固化完成后缓慢降温；

(6)所述热压机降温至80℃或室温后，卸载压力并开模，将固化后的所述制件脱离所述闭合金属模具，并清理飞边毛刺，获得一种具有防覆冰功能的聚合物材料。