一种超疏水石墨烯电加热膜及其制备方法与流程

本发明涉及激光加工，特别是涉及一种超疏水石墨烯电加热膜及其制备方法。

背景技术：

1、飞机在处于冰点温度以下的环境中飞行时，会发生结冰现象。飞机表面某些部位结冰会使飞机的升力系数减小，阻力系数增加，影响飞机操纵性和稳定性，甚至可能导致飞机失控，进而坠毁。因此，飞机的防/除冰技术一直是飞机设计的重要研究课题。目前，电加热防/除冰方法在大型飞机上应用得较为广泛，但是机载电功率不富裕的无人机无法采用此种方法。

2、目前的研究表明，超疏水表面具备防结冰性能，不仅可以延迟结冰时间，还可以降低冰的附着力。现有技术中，提出了公开号为cn114211121a，公开日为2022年03月22日的中国发明专利文件，该专利文献所公开的技术方案如下：一种超疏水表面的飞秒激光烧蚀-表面覆膜的复合加工方法，首先采用飞秒脉冲激光刻蚀基底材料样品表面，得到具有微纳阵列表面的材料样品；然后在具有微纳阵列表面的材料样品上涂覆上一层低能态疏水薄膜，得到低能态疏水薄膜-微纳阵列结构表面复合材料，实现物理疏水和化学疏水的综合疏水性能。

3、上述技术方案在实际使用过程中，会出现以下问题：该技术方案主要针对本征亲水性材料，即激光烧蚀加上额外引入的低表面能物质，但是其制备方法复杂且不可控，不适于大面积生产。

4、进一步的，在某些环境下超疏水表面仍会发生结冰，防冰效果无法发挥出来。电加热方法和超疏水方法均能实现一定的防/除冰效果，但都存在特定的不足之处。如果将两种方法集成到一起，优势互补，会呈现出更好的防/除冰效果。现有技术中，提出了公开号为cn110423523a，公开日为2019年11月08日的中国发明专利文件，该专利文献所公开的技术方案如下：一种超疏水除冰复合涂层及其制备方法，该制备方法包括：对基体材料进行表面清洁处理后，在基体表面喷涂绝缘有机涂料形成绝缘层；在绝缘层的表面布置均匀分布的电极，电极分布根据加热层覆盖范围进行布置，均匀分割加热层范围；将含石墨烯填料的加热涂料均匀涂敷在电极及绝缘层表面，形成加热涂层，其中，加热填料可为石墨烯或石墨烯及ag金属混合填料；将低表面能溶剂和纳米级sio2通过分散工艺进行混合，获得疏水涂料后将其涂覆在加热涂层的表面，形成疏水涂层；采用激光或微压印方式在疏水涂层表面均匀加工出凹凸型的微纳结构，提高涂层疏水性。

5、上述技术方案在实际使用过程中，会出现以下问题：制备过程涉及绝缘层、电极、加热涂层和疏水涂层和微纳结构的加工，流程较为复杂，不利于大面积使用；整个复合涂层体系的厚度达到200μm以上，重量增加过大，不适用于对重量要求较为严格的无人机防/除冰领域。

技术实现思路

1、为解决上述技术问题，本发明提出了一种超疏水石墨烯电加热膜及其制备方法，能有效解决防/除冰效果差的问题，并且其制备方法简单可控，具备大面积应用能力。

2、本发明是通过采用下述技术方案实现的：

3、一种超疏水石墨烯电加热膜，其特征在于：包括有机材料基体，所述有机材料基体一面分布有利用激光刻蚀出的波浪状的具有超疏水特性的微米级沟槽阵列结构，另一面覆盖有导电石墨烯层。

4、所述有机材料基体的材质为聚酰亚胺、聚醚醚酮、聚砜、酚醛树脂或聚苯硫醚。

5、所述微米级沟槽阵列结构的周期为20μm~100μm，高度为20μm~50μm，其中，周期指相邻沟槽最底部之间的距离。

6、所述导电石墨烯层的厚度为20μm~50μm，方块电阻为35ω/sq~1000ω/sq。

7、一种超疏水石墨烯电加热膜的制备方法，其特征在于：包括如下步骤：

8、s1. 利用功率为5w~20w的激光照射有机材料基体表面，刻蚀出微米级沟槽阵列结构；

9、s2. 利用功率为1w~4w的激光照射微米级沟槽阵列结构表面，形成微米级沟槽阵列结构的超疏水性；

10、s3. 利用激光照射有机材料基体另一面，诱导出导电石墨烯层。

11、所述步骤s1、s2和s3中的激光器类型为二氧化碳激光器，激光束移动方式为平行线扫描，扫描线间距为20μm~100μm。

12、步骤s3中激光的功率为5w~20w。

13、与现有技术相比，本发明的有益效果表现在：

14、1、本发明中超疏水功能和加热功能分别由不同的结构实现，微米级沟槽阵列结构实现超疏水功能，导电石墨烯层实现加热功能。并且，不同结构分布在薄膜两侧，巧妙地集成两种功能，且所处空间分离，工艺调控简单。超疏水和加热均能达到防冰效果，两种功能的集成复合可实现优势互补，获得更优的防冰效果，同时超疏水的引入可降低加热的能耗，达到高效节能的目的。

15、2、本发明中的超疏水功能和加热功能均采用激光作为工具来实现，两次不同功率的激光处理在有机材料基体表面同时生成微纳米结构和低表面能物质，导电石墨烯层由激光处理诱导形成，整个制备工艺流程简单可控，并且利用激光处理的自动化能力，可实现大面积的生产应用。

16、3、本发明中，先利用功率为5w~20w的激光处理，可在有机材料基体表面形成波浪状的微米级沟槽阵列结构，同时表面材质变为石墨烯。石墨烯本身具有一定疏水性，但是该高功率激光处理生成的石墨烯表面覆盖有大量的含氧基团，使其呈现出亲水性。然后利用功率为1w~4w的激光处理，可将石墨烯表面的含氧基团去掉，暴露出更多的疏水性含碳基团，而微米级沟槽阵列结构仍旧存在，从而最终呈现除超疏水性。综上，本发明中的制备方法可同时生成表面微纳米结构和低表面能物质。

技术特征：

1.一种超疏水石墨烯电加热膜，其特征在于：包括有机材料基体（1），所述有机材料基体（1）一面分布有利用激光刻蚀出的波浪状的具有超疏水特性的微米级沟槽阵列结构（2），另一面覆盖有导电石墨烯层（3）。

2.根据权利要求1所述的一种超疏水石墨烯电加热膜，其特征在于：所述有机材料基体（1）的材质为聚酰亚胺、聚醚醚酮、聚砜、酚醛树脂或聚苯硫醚。

3.根据权利要求1所述的一种超疏水石墨烯电加热膜，其特征在于：所述微米级沟槽阵列结构（2）的周期为20μm~100μm，高度为20μm~50μm，其中，周期指相邻沟槽最底部之间的距离。

4.根据权利要求1所述的一种超疏水石墨烯电加热膜，其特征在于：所述导电石墨烯层（3）的厚度为20μm~50μm，方块电阻为35ω/sq~1000ω/sq。

5.一种超疏水石墨烯电加热膜的制备方法，其特征在于：包括如下步骤：

6.根据权利要求5所述的一种超疏水石墨烯电加热膜制备方法，其特征在于：所述步骤s1、s2和s3中的激光器类型为二氧化碳激光器，激光束移动方式为平行线扫描，扫描线间距为20μm~100μm。

7.根据权利要求6所述的一种超疏水石墨烯电加热膜制备方法，其特征在于：步骤s3中激光的功率为5w~20w。

技术总结
本发明涉及激光加工技术领域，特别是涉及一种超疏水石墨烯电加热膜及其制备方法，所述石墨烯电加热膜包括有机材料基体，所述有机材料基体一面分布有波浪状的微米级沟槽阵列结构，另一面覆盖有导电石墨烯层；所述制备方法包括利用功率为5W~20W的激光照射有机材料基体表面，刻蚀出微米级沟槽阵列结构；利用功率为1W~4W的激光照射微米级沟槽阵列结构表面，形成微米级沟槽阵列结构的超疏水性；利用激光照射有机材料基体另一面，诱导出导电石墨烯层。通过本超疏水石墨烯电加热膜及其制备方法，能有效解决防/除冰效果差的问题，并且其制备方法简单可控，具备大面积应用能力。

技术研发人员：蔡明勇,华程,易吉豪,李海升
受保护的技术使用者：成都飞机工业（集团）有限责任公司
技术研发日：
技术公布日：2024/1/14