一种基于表面微结构改性提高材料抗氧化烧蚀性能的方法与流程

本发明涉及一种提高材料抗氧化烧蚀性能的表面拓扑结构的制备方法，属于工程材料、结构形变及力学实验领域。

背景技术：

高速飞行器在入大气层时，飞行器前缘、机身表面与空气发生剧烈作用，产生高温环境，高速飞行器表面在高温下将发生氧化烧蚀，影响飞行器的气动力并诱发一系列问题，危及高速飞行器的飞行安全。除此之外，航空航天发动机内部，如航空发动机叶片等部位，在工作时同样会产生高温环境，使航空发动机叶片发生烧蚀，影响航空发动机的正常工作，继而影响飞机的飞行安全。

从材料自身的物理化学性质方面入手改善抗烧蚀性能已近发展到了极限，研究人员开始着眼于改变材料表面结构以提高抗氧化烧蚀性能。材料表面出现烧蚀，发生剧烈反应，在高温下生成液态反应产物。若缺乏有效控制手段，反应生成物将被高速气流迅速冲刷流走，使基体材料暴露在空气中继续烧蚀。如果能改变材料表面的拓扑结构，阻挡液态生成物被冲刷流走，使液态生成物在基体材料表面驻留，则可有效的隔绝基体材料与空气，防止基体材料继续烧蚀；且液态生成物可以吸收大量热量，降低基体材料温度。

中国专利CN103145445B授权了一种提高材料抗氧化烧蚀性能的表面微结构制备方法。其包括如下步骤：1)对碳化硅或碳-碳化硅表面进行抛光；2)将碳化硅纤维或碳化硅纤维束布置在抛光的基体表面，得到附着有碳化硅纤维或碳化硅纤维束的基体；3)将步骤2)中附着有碳化硅纤维或碳化硅纤维束的基体置于化学气相沉积沉降室中，对表面进行碳化硅的化学气相沉积；4)对步骤3)中得到的材料表面进行激光刻蚀，得到具有不同深宽比槽道的表面微结构。上述专利通过激光刻蚀的方法制作了表面微结构，有效地阻挡液态生成物被冲刷流走，隔绝基体材料与空气，防止基体材料继续烧蚀。虽然短时间内可以使得生成的液态二氧化硅驻留在表面微结构内部，但是上述专利文献提及的方法在制作表面微结构的过程中所用的激光刻蚀容易伤害基体材料本身，因此长时间烧蚀条件下，有可能加剧材料的烧蚀程度。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种基于表面微结构改性提高材料抗氧化烧蚀性能的方法。该方法通过化学反应控制制备过程，在基体表面制备出特定的微结构形貌，从而提高基体在高温高速气流下的抗氧化烧蚀性能。

本发明的技术方案如下：一种通过化学反应控制材料表面微结构以提高材料抗氧化性能的方法，包括以下步骤：

1)配制浓度70％(即100mL溶液中含70g磷酸二氢铝，单位g/mL，下同)以上磷酸二氢铝水溶液，然后抽真空除去溶液内的气体；

2)将步骤1)抽真空后的磷酸二氢铝水溶液涂覆于基体表面；

3)将涂覆磷酸二氢铝的基体在真空中干燥，磷酸二氢铝变为固态，紧贴于基体表面；

4)将光刻胶涂覆于基体表面的磷酸二氢铝层上，并根据所需表面微结构形状进行紫外线照射，显影，得到光刻胶微结构(参见图2)；

5)将步骤4)处理后基体用弱碱性溶液冲刷，与弱碱性溶液接触的磷酸二氢铝被冲掉，将冲刷后的基体干燥；

6)去除光刻胶，在基体表面得到特定的磷酸二氢铝微结构(参见图4)，该结构可以提高基体在高温高速气流下的抗氧化烧蚀性能。

上述步骤1)中，磷酸二氢铝水溶液的浓度优选为75％。可以将磷酸二氢铝水溶液置于烧杯中，放入真空箱里抽真空，抽出溶液内的气体，防止固化时有气泡产生导致磷酸二氢铝的厚度过大。抽真空时间通常为5～10min，直到不再有气泡产生。

步骤2)将抽真空后的磷酸二氢铝溶液涂覆于基体表面之前，优选的，先打磨基体表面，并使基体表面清洁、干燥。步骤2)一次涂覆磷酸二氢铝厚度优选为25～50μm。

步骤3)可以将涂覆磷酸二氢铝的基体放入真空加热箱中干燥，干燥温度优选在35℃-45℃，直至水分完全蒸发，磷酸二氢铝变为固态，紧贴在基体表面。

步骤4)所涂覆的光刻胶的厚度约为3μm。

步骤5)中所述弱碱性溶液可以是水或其他弱碱性的水溶液，例如pH7-10的稀KOH溶液、稀NaOH溶液，因磷酸二氢铝与弱碱性溶液发生中和反应，故与弱碱性溶液接触的磷酸二氢铝被迅速冲掉。冲刷时间通常为2～3s，冲刷后的基体可以放入加热箱中在50℃左右干燥，干燥时间约5分钟，直至水分蒸发完全。

步骤6)可以将所得结构放入丙酮中冲刷，光刻胶在丙酮中分解，得到最终的表面磷酸二氢铝微结构。

为了获得多样化的、不同厚度的磷酸二氢铝微结构，可以重复操作上述步骤2)和3)，按需要在基体表面不同区域形成不同厚度的磷酸二氢铝涂层。在重复涂覆磷酸二氢铝水溶液的时候可借助模板，干燥后在特定区域形成较厚的磷酸二氢铝涂层，然后进行后续步骤，最终得到基体表面变化厚度的微结构，参见图5。

本发明与现有技术相比，具有以下优点与突出性效果：

1)本发明在基体表面制备出的微结构，可以有效盛装烧蚀产生的液态反应物，防止液态反应物被高速气流冲刷流失，从而防止氧气等气体进一步扩散进入基体导致更为严重的氧化烧蚀；

2)本发明的微结构制备方法为在基体表面直接生长微结构，对基体本身没有破坏，防止氧气等气体进入基体，保证了基体的完整性，提高了基体的抗氧化烧蚀性能；

3)在本发明中，通过在基体表面重复涂覆磷酸二氢铝，可以到不同厚度的磷酸二氢铝微结构；

4)本发明的方法制备的表面微结构，具有耐高温、抗震动、抗剥落、耐高温气流冲刷，与基体材料粘附性强等特点，该拓扑结构可以有效的在高温高速气流下阻碍表面液态反应物的流动；

5)本发明将磷酸二氢铝抽真空，并在真空环境下使其干燥，有效地减弱了涂覆了磷酸二氢铝的基体35℃-45℃下干燥过程中磷酸二氢铝的膨胀，降低了干燥后基体表面磷酸二氢铝的最终厚度，并有效的加强了磷酸二氢铝和基体的粘附性。

附图说明

图1为实施例步骤B中将光刻胶涂覆于基体表面的磷酸二氢铝上，所得到的基体表面微结构示意图。

图2为实施例步骤C显影后得到的基体表面微结构示意图。

图3为实施例步骤C完成之后得到的基体表面微结构示意图。

图4为实施例步骤D得到的基体表面微结构示意图。

图5为实施例重复进行磷酸二氢铝溶液涂覆和干燥的处理，最后得到的基体表面变化厚度的微结构示意图。

图中，1-基体，2-磷酸二氢铝，3-光刻胶。

具体实施方式

下面结合附图，通过具体实施例，进一步阐述本发明。

A、打磨基体表面，使基体表面清洁、干燥，将浓度为75％的磷酸二氢铝水溶液置于烧杯中，放入真空箱里抽真空，抽出溶液内的气体。然后将抽真空后的磷酸二氢铝溶液涂覆于基体表面。

B、将涂覆磷酸二氢铝的基体放入真空加热箱中在35℃-45℃下干燥，直至液体完全蒸发，磷酸二氢铝变为固态，紧贴在基体表面。此时将光刻胶涂覆于磷酸二氢铝表面，所得到的微结构示意图如图1所示，图1包括基体1、磷酸二氢铝2、光刻胶3。然后根据所需要得到的表面微结构形状利用紫外线照射光刻胶。

C、将基体及其表面的磷酸二氢铝与被紫外线照射过的光刻胶放入显影液，约20秒后被紫外线照射过的光刻胶分解，此时将其从显影液中取出，所得到的微结构示意图如图2所示。此时将所得到的结构放入弱碱溶液中冲刷，与弱碱溶液接触的磷酸二氢铝被迅速冲掉，然后将冲刷后的基体放入加热箱中在50℃左右干燥，直至水分蒸发完全，所得到的微结构示意图如图3所示。

D、最后将所得的结构放入丙酮中冲刷，光刻胶在丙酮中分解，所得结构极为最终的表面微结构，微结构示意图如图4所示。

在步骤B中，如果在基体的特定表面重复进行涂覆磷酸二氢铝溶液和干燥的处理，最终能得到基体表面变化厚度的微结构，如图5所示。