[发明专利]一种表面疏水防冰的方法

说明书

技术领域

本发明属于飞行器发动机预冷领域，特别是涉及一种表面疏水防冰的方法。

背景技术

随着临近空间飞行器和航天飞机技术的发展，预冷型组合循环发动机在单级入轨和两级入轨可重复使用飞行器中的应用越来越广泛。当发动机工作在吸气模式时，来流在被压缩进入燃烧室之前需要进行有效地预冷，以降低发动机系统能耗并确保压缩空气以适宜的温度进入燃烧室，从而实现发动机高推重比和高比冲，提高发动机整体性能。而如果预冷器表面结冰，就会增加总压损失和气流畸变，并堵塞气流通道，因此，对于空气深度预冷型发动机，如何表面防冰是预冷器设计的一个关键问题。目前国外的表面防冰的一种方法是通过在预冷器前增加液氧喷注系统，液氧(温度大约为55K)首先将空气冷却至240K，将水蒸气从空气中分离出来，还有一种方法是通过向空气来流中喷注低温流体(如液氮和液氧)或者特定的冷凝气体(如甲醇)，将空气中的水蒸汽冷凝并排出。然而，这两种方法普遍存在能耗大、污染严重或增加负载等问题。

近年来，国内外针对不同疏水表面的防冰特性开展了一系列实验研究。以方体周期单元为对象，研究了具备周期结构的疏水表面对冰粘附强度的影响，对比了二级微纳复合结构、一级微米结构和光滑硅片表面上冰粘附力大小，结果表明二级微纳结构的冰粘附力最小，其次是一级微米结构，最后是光滑表面，此外，对于二级微纳结构，其间隔越小，冰粘附力越小，且无论其间隔如何改变，冰粘附强度总是优于另外两种固体表面；现有技术中一种方法是在聚乙烯构成的一级微米表面用纳米级氧化锌进行修饰构成微纳复合结构，对这种复合结构的防雾和延缓结冰时间等特性进行实验研究，结果发现-5℃时，在有微风吹过的条件下，复合结构表面直到1600s才开始沾水，体现了其良好的疏水性；-10℃时，直到7360s才完全结冰，有效延缓了结冰时间。虽然这种二级微纳结构在减小固体表面粘附性方面效果最好，但是加工这种满足一定尺寸形状要求的二级微纳结构表面非常复杂、成本高，导致其实用性不强。

发明内容

为解决上述问题，本发明提供了一种表面疏水防冰的方法，能够简化疏水防冰的形成过程，降低生产成本。

本发明提供的一种表面疏水防冰的方法，包括：

在硅片表面制作硅柱阵列；

在所述硅柱阵列的表面和间隔位置制作黑硅。

优选的，在上述表面疏水防冰的方法中，

所述在硅片表面制作硅柱阵列包括：

在所述硅片的表面涂光刻胶；

在所述光刻胶上部设置掩膜版，并对所述光刻胶进行光刻和显影，形成掩膜图形；

对形成掩膜图形之后的所述硅片进行刻蚀，形成硅柱阵列；

去除所述光刻胶并清洗。

优选的，在上述表面疏水防冰的方法中，

所述在所述硅柱阵列的表面和间隔位置制作黑硅包括：

将具有所述硅柱阵列的硅片放入感应耦合等离子体刻蚀设备中进行刻蚀，在所述硅柱阵列的表面和间隔位置形成黑硅。

优选的，在上述表面疏水防冰的方法中，

所述对形成掩膜图形之后的所述硅片进行刻蚀，形成硅柱阵列包括：

进行预设时间的第一次刻蚀；

测量形成的硅柱阵列的深度；

利用所述预设时间和所述硅柱阵列的深度，计算刻蚀速率；

利用所述刻蚀速率计算第二次刻蚀的时间，直到形成具有预设深度的硅柱阵列。

优选的，在上述表面疏水防冰的方法中，

所述在硅片表面制作硅柱阵列为：

在所述硅片表面制作方形排列或三角形排列的硅柱阵列。

优选的，在上述表面疏水防冰的方法中，

所述在硅片表面制作硅柱阵列为：

在所述硅片表面制作具有长方体形状或圆柱体形状的硅柱阵列。

优选的，在上述表面疏水防冰的方法中，

所述在硅片表面制作硅柱阵列为：

在所述硅片表面制作截面边长为10微米至14微米且边缘间距为28微米至32微米的长方体硅柱阵列，或者在所述硅片表面制作截面直径为10微米至14微米且边缘间距为28微米至32微米的圆柱体硅柱阵列。

优选的，在上述表面疏水防冰的方法中，

所述在硅片表面制作硅柱阵列为：

在所述硅片表面制作三角形排列的截面直径为10微米至14微米且边缘间距为46微米至50微米的圆柱体形状的硅柱阵列。

优选的，在上述表面疏水防冰的方法中，

所述在硅片表面制作硅柱阵列为：