摘要: 如何规避因飞机结冰而产生的飞行安全隐患一直是航空领域所涉及的重要问题，为此提出基于静电喷涂技术的飞机表面防覆冰处理研究。利用静电电泳原理，促进液滴的滚落，对冰晶形成所需的能量及时间进行计算，以延缓水滴结晶进程，通过改变静电喷涂材料的化学组成和粗糙度，降低冰晶在飞机表面的附着力，以达到飞机表面防覆冰处理的目的。
关键词：静电喷涂技术；飞机表面；防覆冰处理；冰晶附着力；化学成分；粗糙度；
中图分类号：G642 文献标识码：A
引言：受自然环境的影响，飞机在飞行过程中某些部位会出现结冰的现象，这是由于飞机在自然降雨、降雾等天气潮湿的情况下飞行时[1]，机身表面会积聚冰层，一旦冰层积聚量较大时，将会影响飞机的正常飞行与安全，因此对飞机表面防覆冰处理技术的研究是极其必要的。近年来，飞机表面的防覆冰技术有了飞跃的进展，静电喷涂技术就是研究成果的重要体现。静电喷涂技术不仅能节省防覆冰涂料，降低对环境的污染程度，还能使飞机表面获得优异的涂膜性能，增强飞机表面的防覆冰能力。基于此，本文提出对基于静电喷涂技术的飞机表面防覆冰处理研究，从促进飞机表面液滴滚落、延缓冰晶的形成时间、降低冰与飞机表面附着力三个方面论述了静电喷涂技术的处理过程，最后对飞机表面防覆冰处理过程中存在的问题及静电喷涂技术的发展前景进行了深入探讨。
1引入静电电泳原理
飞机在低温条件下飞行，是其表面产生冰晶的主要原因，因此，减少液滴在飞机表面的停留时间，加快液滴的滚落速度，对飞机的防覆冰处理具有重要的意义。
采用静电喷涂技术在机身表面进行镀膜，喷涂时，根据电泳的物理现象，在机身与液滴间形成一个高压静电场。当有水滴降落在机身时，电场会立即产生高压静电，将低温水滴进一步雾化，使大分子水珠转化为小分子水雾，减少与机身表面的接触面积，并加快其滚落速度。此外，采用静电喷涂技术对机身镀膜，还能降低水滴与飞机表面的附着力，当水滴落在飞机表面时，由于飞机表面结构接近于倾斜状态，再加上静电喷涂产生的“同性相斥”现象[2]，使得水滴在结冰之前快速脱离飞机表面。
2冰晶能量及形成时间计算
当飞机在大量降雨环境中飞行时，大分子水滴会覆盖机身表面，延缓冰屏，因此在飞机表面进行静电喷涂处理就显得尤为重要。静电喷涂处理后，飞机表面具有超大的接触角，能够有效增加大分子水滴在结冰时所需的能量值，水滴结冰所需的能量值越大，则其结冰所需要的时间就会越长，进而减缓冰晶在飞机表面的形成速度。
根据热力学理论[3]，大分子水滴在结冰过程中，水滴会自由放热，这时经过静电喷涂的飞机表面的自由能将逐渐增大。假设在结冰过程中，飞机表面不发生其他物理、化学变化，那么大分子水滴结冰所需要的自由能为：
3冰晶附着力处理
降低冰晶与飞机表面的附着力，对飞机的防覆冰处理具有重要的作用，本次分析主要从改变材料的化学组成和表面粗糙度两个方面进行，此处的材料是指静电喷涂时选择的喷涂材料，在此之前，首先要了解冰晶的附着原理，如图1所示。
图1 冰晶的附着原理
3.1改变材料的化学组成
飞机表面的静电喷涂，多采用粉末涂料为主，粉末涂料作为一种固体涂料，没有溶剂，不易挥发，通过缓慢释放涂料内部能量的方式，减缓冰晶的形成速度。此外，分析图1所示的冰晶附着原理可知，冰晶的附着力还取决于喷涂材料表面与水分子之间的作用力。分子间的作用力越大，冰的附着强度就越高；反之，分子间的作用力越小，冰的附着强度就越低。因此，提高喷涂材料表面与水分子之间的作用力，是降低冰晶附着力的重要举措。通过改变静电喷涂材料的物理结构及化学成分，有利于降低冰晶与飞机表面的附着力，达到飞机表面防覆冰的理想处理效果。
3.2改变材料表面粗糙度
诸多研究表明，冰的附着力强度与机身表面的湿润度成负线性相关[5]，因此从喷涂材料湿润度的角度分析，提高喷涂材料的湿润度，能够降低冰的附着力。因此，若能够选择表面粗糙的喷涂材料，使其内部湿润度增加，便能达到降低冰的附着强度的目的。不同粗糙度等级的喷涂材料表面模型如图2所示。
分析图2可知，随着涂料粗糙强度的增加，涂料表面的结构越趋于扁平化，水滴在其表面的附着能力就越差。因此，出于提高飞机表面防覆冰能力的目的，采用固体、粗糙度高的涂料进行静电喷涂材料的选择，有利于降低冰晶的附着能力，实现飞机表面的快速除冰。
4结束语
本文对基于静电喷涂技术的飞机表面防覆冰处理进行分析，实现了快速除冰的目的。但在本次研究中，还存在许多不足，需要对其进行进一步的研究，以为我国飞机表面防覆冰处理提供借鉴。此外，静电喷涂技术凭借其简单、高效等优势被广泛应用于各种工业镀膜过程中，具有非常广阔的发展前景。
参考文献：
[1]于竞尧,薛磊,陶海岩,等.基于疏水功能表面的飞机防覆冰机理研究进展[J].航空制造技术,2017,536(17):155-159.
[2]阮润琦,薛玉华,步明升,等.适用于静电喷涂的飞机蒙皮聚氨酯面漆的研制[J].合成材料老化与应用,2017,46(6):34-37.
[3]李晓峰,常士楠,冷梦尧.冰风洞内水滴参数沿程变化的数值模拟[J].计算机仿真,2018,35(10):66-71.
[4]郑硕,倪芳原.飞机外表面防除冰专利技术发展现状分析[J].河南科技,2017,16(13):126-128.
[5]李超.飞机蒙皮表面防护技术的研究进展[J].现代制造技术与装备,2017,39(1):157-158.
论文作者:杨立东,王芳,王翀,王文全
论文发表刊物:《防护工程》2019年第1期
论文发表时间:2019/4/29
标签：表面论文; 飞机论文; 静电论文; 冰晶论文; 附着力论文; 水滴论文; 材料论文; 《防护工程》2019年第1期论文;