一种耐冲蚀疏水材料及其制备方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及表面改性领域，特别是在金属表面制备疏水涂层的方法。本发明还涉 及采用上述方法制备的耐冲蚀疏水材料。
【背景技术】
[0002] 飞行器件的结冰是影响整个飞行系统安全的重要因素之一，据统计，大约有9%的 飞机事故都是因为表面结冰所引起的。飞机在结冰情况下飞行，飞行品质及飞行性能将受 到很大的影响。结冰不仅会增加飞机的重量，降低螺旋桨效率，进而导致发动机可用推力减 小，而且还干扰气流，造成阻力增大，升力减小。20世纪40~50年代，人们在飞机结冰、防 冰方面做了大量的工作，一方面改进飞机的防冰装置，另一方面加强地面的防冰、除冰和检 查工作。然而，纵然飞机防冰系统比较完善，但除冰、防冰系统并不能在所有情况下都达到 预期的效果，结冰依然是飞行安全的一大隐患。
[0003] 由于纯金属及其合金材料本身具有较高的表面能，因此其与液态水的接触角一般 在60°左右。在低温及高湿度环境下，金属表面容易发生结冰现象。降低材料本身的表面 能或者在金属表面制备一层具有较低表面能的涂层是防止金属制件表面结冰常用的防护 措施之一，常采用的技术方法为在金属表面涂覆低表面能材料及在金属表面形成一定规则 结构的织构。
[0004] 在金属表面涂覆低表面能可增加金属制件表面的疏水效果，从而减少冰敷过程的 覆冰量，降低除冰能耗。在现有研宄中，广泛使用的低表面能材料主要为有机氟/硅材料、 合成高分子熔体聚合物及有机-无机杂化材料等，这些有机材料的抗冲蚀磨损性能差，很 难达到基体的抗冲蚀强度。特别是在高速运动固体颗粒的频繁冲击下，有机材料的使用寿 命受到严重影响。因此有机材料一般应用于不受外力或承受轻微摩擦接触的制件表面。由 于飞行器长时间暴露于大气中，在高速条件下，空气中的尘埃等颗粒物很快冲蚀掉有机疏 水涂层，从而影响疏水部件的抗结冰功能。北京航材院研制的J04-101H氟橡胶叶片漆则是 用于飞机发动机叶片的耐冲蚀保护涂料，该涂料除了具有较为优良的综合性能外，其耐磨 性大于20min (吹砂法，min/20 ym)，用于祸衆发动机压气机叶片1000h后涂层基本完好，但 是该涂料未考虑涂层的疏水、防冰性能，且该技术不适用于精度要求较高的飞行器件传感 器。目前，普遍选取陶瓷涂层作为飞行器件抗冲蚀防护涂层，该类涂层具有很高的硬度，可 抵抗固体颗粒的冲击磨损。某些陶瓷体系的涂层，如TiN、CrN、WN等，其抗冲蚀强度明显优 于基体，可延长器件的使用寿命。瑞典研宄者Y Iwai评价了 TiN、TiN/TaN、TiN/CrN、TiN/ TiAIN等不同陶瓷涂层在不同粒径固体颗粒下的抗冲蚀性能，其结果表明氮化物陶瓷涂层 普遍提高了高速钢基体的抗冲蚀性能，某些涂层的冲蚀性能相比基体提高了 3倍以上。但 是该陶瓷涂层相比有机类涂层具有较高的表面能，因此其疏水性能受到了一定的限制。
[0005] 除了采用低表面能材料外，还可在金属表面引入合适的有规律的几何结构图形， 形成一定规则结构的织构，有效提高液态水与金属表面的接触角并降低滚动角，提升疏水 效果。在覆冰、除冰的往复循环过程中，表面织构往往因承受外力作用发生结构变化，因 此制备表面织构技术的选取还需要进一步结合低表面能材料进行开发。澳大利亚研宄者Algirdas Lazauskas发现Si02疏水涂层的粗糙织构的精度易受到反复结冰/除冰过程的 应力影响而出现降低，微凸起织构出现破裂脱落，接触角降低。研宄指出在除冰过程中织构 的破坏主要形式为纳米级凸起的磨损和微米级凸起的断裂。因此在制备织构时选取自身强 度较高的低表面能涂层，进行强化处理，可有效提高织构的强度，延长材料使用寿命。
[0006] 在实际应用中，飞行器件的工作环境气象条件异常复杂，毛冰、白冰、雾凇等积冰 会冲击飞行器件表面，造成机体表面的损伤，如发动机进气道口积冰，会阻滞气流，使气流 发生局部分离，积冰还可在道口产生大的冰圈，改变空气的动力特性，当冰肩脱离，进入发 动机的叶片，从而造成叶片的机械损伤，使发动机的功率降低，影响发动机正常工作，严重 时，造成发动机损坏或熄火。外来风沙、灰尘等固体颗粒亦会冲蚀飞行器件表面。因此低 表面能涂层不仅需要疏水性能、防/除冰功能，还应具有良好的综合性能，如良好的力学强 度、结合强度、抗风沙、长寿命等。制备疏水涂层时，需要综合考虑低表面能的化学组成和微 纳米结构的适宜表面织构，以满足飞行器件的实际需求。
【发明内容】
[0007] 本发明的目的是解决现有疏水材料不能应用于强冲蚀、强摩擦环境的问题，提供 一种耐冲蚀疏水材料的制备方法，综合采用低表面能材料和特殊的织构，通过控制材料的 低表面能晶面的生长，在金属制件表面形成一层低表面能取向的金属/陶瓷复合多层膜， 提高了金属产品的疏水性能及耐冲蚀性能。
[0008] 本发明还提供一种使用上述方法制备的耐冲蚀疏水材料。
[0009] 为了实现上述目的，本发明的耐冲蚀疏水材料的制备方法采用磁过滤阴极真空弧 放电方法于工件表面沉积多层膜层，采用激光器激光刻蚀方法于沉积膜层后的工件表面刻 蚀织构，其中，沉积膜层步骤全部于刻蚀织构步骤之前进行。
[0010] 上述的耐冲蚀疏水材料的制备方法，其中，包括如下步骤：
[0011] S100,采用磁过滤阴极真空Ti弧源于工件表面沉积第一Ti膜层；
[0012] S200,通入氮气，且采用磁过滤阴极真空Ti弧源于沉积第一Ti膜层后的工件表面 沉积TiN膜层；
[0013] S300,关闭氮气，采用磁过滤阴极真空Ti弧源于沉积TiN膜层后的工件表面沉积 第二Ti膜层；
[0014] S400,通入氮气，且采用磁过滤阴极真空Cr弧源于沉积第二Ti膜层后的工件表面 沉积CrN膜层；
[0015] S500,关闭氮气，采用磁过滤阴极真空Cr弧源于沉积CrN膜层后的工件表面沉积 Cr膜层；
[0016] S600,采用激光器在沉积Cr膜层后的工件表面上按照一设计图案进行激光刻蚀 以形成织构。
[0017] 上述的耐冲蚀疏水材料的制备方法，其中，所述步骤S600包括：
[0018] S610,采用激光器于沉积Cr膜层后的工件表面上按照所述设计图案进行第一激 光刻蚀；
[0019] S620,于所述S610之后进行，采用激光器于工件表面上按照所述设计图案进行第 二激光刻蚀，第二激光刻蚀对第一激光刻蚀后形成的织构进行修饰。
[0020] 上述的耐冲蚀疏水材料的制备方法，其中，所述步骤S100中，沉积的第一 Ti膜层 的厚度控制为100_200nm ;所述步骤S200中，沉积的TiN膜层的厚度控制为4-6 y m ;所述步 骤S300中，沉积的第二Ti膜层的厚度控制为3-4 y m ;所述步骤S400中，沉积的CrN膜层 的厚度控制为5-6 ym ;所述步骤S500中，沉积的Cr膜层的厚度控制为1-2 ym ;所述步骤 S610中，第一激光刻蚀的深度控制为30-50 ym。
[0021] 上述的耐冲蚀疏水材料的制备方法，其中，所述步骤S100中，阴极弧流控制在 80~95A，沉积负偏压控制在-100~-200V，占空比维持80~90%，沉积时间2~4分 钟；所述步骤S200中，氮气流量为50~60sccm，真空室的真空度维持在1.5XKT 2~ 1. 6 X 10_2Pa，沉积负偏压控制在-100~-200V，占空比维持为80~90%，沉积时间为2~3 小时；所述步骤S300中，真空室的真空度维持在1. 5 X 1(T2~1. 6 X l(T2Pa，沉积负偏压控制 在-100~-200V，占空比维持为80~90%，沉积时间为1~1. 5小时；所述步骤S400中， 阴极弧流控制在70~85A，沉积负偏压控制在-90~120V，占空比维持在60~80%，氮气 流量控制在70~80sccm，真空度维持在1. 8 X 10_2~2. 0 X 10 _2Pa，沉积时间4~5为小时； 所述步骤S500中，阴极弧流控制在70~85A，沉积负偏压控制在-90~120V，占空比维持 在60~80%，真空度维持在1. 8X 10_2~2. 0X 10 _2Pa，沉积时间1~1. 2小时；所述步骤 S610中，