从概念到实施：航空航天业的防冰涂料技术

作者：Jiong Liu，博士，高级研究员；John Watson，产品开发经理；Ganesh Skandan，博士，首席执行官，NEI公司，纽约州，Somerset

一家除冰系统制造商提出了将主动除冰系统与易于除冰的涂层相结合的想法。飞机前缘结冰是一种常见的航空安全隐患，多年来，它是造成多起人员死亡和飞机损毁的灾难性事故的主要原因。所有商用飞机都有内置的防冰系统，通常为热力、热力机械、机电或气动等系统。除冰装置的一个常见问题是，它们会消耗大量的电力，而飞机一般都希望降低耗电量。随着电池驱动飞机的出现，降低功耗的机制或功能变得至关重要，靠电池驱动的无人机也是如此。采用与主动除冰装置协同工作的被动防冰涂层是一种颇具吸引力的方法。其优点是降低了功耗，提高了机械部件的使用寿命，减轻了电子元件的重量，并可以在有源器件发生故障时提供额外的保护。

NEI公司的工程师和科学家面临的挑战是，开发和演示一种具有持久抗冰性能和良好耐磨性和耐腐蚀性的涂层。更重要的是，它需要对改装现役飞机具有实用性，以及能为原始设备制造商所用。为了满足需求，NEI公司开发了NANO-MYTE® SuperAi™ 涂层技术，该技术具有以下特点：

• 极润滑表面；
• 优异的去冰附着力性能；
• 薄涂层(＜1 密耳或25微米)，提供轻质解决方案；
• 持久的防冰性能，适合永久使用；
• 室温下固化；
• 可通过喷涂、浸涂或刷涂等方式轻松涂施。

在与一家大型低功耗防冰系统制造商的工程师进行了多次讨论之后,开始开发SuperAi涂层。他们向我们提出了在除冰系统上使用防冰涂层的两个基本技术要求，即降低冰的附着力和持久的防冰性能。我们在NEI的实验室进行了大量实验，并在一个带有除冰装置原型的结冰风洞设施上反复试验，从而证明了这两个特性。在NEI进行的冰粘附测量得到了宾夕法尼亚州立大学恶劣环境转子试验台（AERTS）设施工作的证实，该试验台反复显示，涂有SuperAi涂层的铝基板的冰粘附强度低至~1.8 psi——与未涂覆的抛光铝基板相比，其粘附强度降低了80%。图1显示了当一个冰柱从SuperAi涂层基材上拔下时，漆膜依旧完好的状态，相比之下，在未涂覆SuperAi的铝基材上可以看到冰粘附失效所造成的破坏。

为了证明使用SuperAi的除冰装置提高了除冰效率，在我们合作伙伴的设施中，模拟飞行结冰的条件下，在结冰通道中测试了机电和热力机械喷射除冰系统的涂层。图2显示了装配了热机械除冰系统，涂覆了SuperAi涂层的飞机前缘。我们已经反复证明，使用新开发的防冰涂层（图3），可以提高除冰效率，并将主动除冰系统的功耗降低45-70%。

耐磨性对目标应用领域非常重要。图4显示，在经过200转Taber磨耗循环后，SuperAi涂层在磨损轨迹处几乎没有划痕。注意，试验中使用的CS-10FCalibrase®砂轮由粘合剂和磨料颗粒（如氧化铝和碳化硅）组成，试验条件模拟的是正常的使用磨损。此外，磨损轨迹处的接触角测量值为103°（未磨损的新表面为105°），表明表面的疏水性受磨损的影响最小。磨损处的冰粘附测量显示，涂层在经过200转Taber磨耗循环后仍然具有高度的防冰性（图5）。

其他飞机防冰涂层的重要方面还包括其抗雨水侵蚀的能力、耐化学和溶剂性、抗结冰-除冰循环和耐候性等等。我们通过各种耐久性试验对这些方面也进行了研究。如图5所示，SuperAi涂层可经受反复的结冰-除冰循环，长时间浸泡在喷气燃料、Skydrol®（航空液压油）和水中后，冰粘附力几乎没有变化。此外，该涂层的冰粘附强度受磨损、高压动力清洗和紫外线照射的影响也最小。

总而言之，我们能够通过有步骤、有重点的产品开发工作，来解决行业中的重要需求。本文的案例研究，也体现了我们致力于解决问题，以应用为导向的涂料开发工作，并选择了直接与客户合作，来开发、演示和实施解决方案。