低溫連接器防結(jié)冰表面涂層應(yīng)用技術(shù)研究

甄恩發(fā) 徐 達(dá) 張振華 梁秋立 劉照智 范 虹 王明華 張友法

（1 北京航天發(fā)射技術(shù)研究所 北京 100076）

（2 東南大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院 南京 211189）

1 引言

低溫連接器作為輸送超低溫介質(zhì)的箭地接口,在推進(jìn)劑加注過程中,部分外壁面溫度處于零度以下,連接器局部會(huì)結(jié)霜或結(jié)冰,克服霜/冰的過程會(huì)變成連接器的脫落阻力,進(jìn)而增加連接器脫落異常的風(fēng)險(xiǎn)。表面涂層作為一種被動(dòng)防結(jié)冰措施,可以減小冰層在連接器表面的聚集程度和粘附強(qiáng)度,降低連接器脫落過程的阻力,進(jìn)一步提高連接器的脫落可靠性。

國內(nèi)近幾年多次發(fā)生因低溫結(jié)冰導(dǎo)致脫落異常的問題,NASA 也在涵蓋未來20 年研發(fā)途徑的2015年技術(shù)路線圖中將“防結(jié)冰低溫連接器”作為一項(xiàng)重要任務(wù),并明確提出“采用被動(dòng)（憎水性材料）手段和主動(dòng)（加熱）手段”實(shí)現(xiàn)低溫連接器不結(jié)冰的目標(biāo)[1]。

針對低溫連接器表面結(jié)冰可能會(huì)影響脫落的故障模式,為提升連接器防結(jié)冰/除冰效果,在已開展的正壓防護(hù)防結(jié)冰技術(shù)的基礎(chǔ)上[2],為進(jìn)一步改善連接器易結(jié)冰部位的使用工況,減小冰層附著力,國內(nèi)首次提出并開展了連接器防結(jié)冰表面涂層應(yīng)用的技術(shù)研究。

2 研究的理論依據(jù)

目前,用于防冰的涂層主要有兩種類型:一種是發(fā)熱防冰涂層,此類涂層通過調(diào)整結(jié)冰過程中結(jié)冰物體溫度達(dá)到防結(jié)冰目的；另一種是憎水性防冰涂層,它通過改變水滴與物體表面相互作用力達(dá)到防冰目的[3]。

結(jié)合連接器的實(shí)際使用環(huán)境,憎水性防冰涂層是一種對連接器防結(jié)冰有借鑒意義的措施,其主要理論基礎(chǔ)是表面潤濕性理論[4]。水滴能否在物體表面結(jié)冰與固體表面潤濕性有關(guān),主要取決于固體表面的微結(jié)構(gòu)和化學(xué)成分兩個(gè)因素。荷葉表面具有非常典型的超疏水特性,其表面具有的二元微納復(fù)合粗糙結(jié)構(gòu)以及低表面能的蠟狀物質(zhì)是產(chǎn)生超疏水特性的根本原因,同時(shí)也使其具有良好的防冰性[5-6]。

3 低溫連接器介紹

連接器的工作原理為:當(dāng)連接器處于鎖緊狀態(tài)時(shí)（向氣缸鎖緊腔充氣）,氣缸體帶動(dòng)頂盤向后運(yùn)動(dòng),拉鉤將連接器與箭上接口扣緊,使箭地接口之間處于密封狀態(tài)；當(dāng)連接器脫落時(shí)（向氣缸脫落腔充氣）,氣缸體帶動(dòng)頂盤向箭體方向運(yùn)動(dòng)使拉鉤張開,連接器脫落。本研究的低溫連接器主要由本體、鎖緊脫落機(jī)構(gòu)、發(fā)訊裝置、吹除管以及打開關(guān)閉活門機(jī)構(gòu)等組成,基本結(jié)構(gòu)見圖1。其中鎖緊脫落機(jī)構(gòu)完成連接器與箭上接口之間的鎖緊和脫落功能,發(fā)訊裝置用于指示連接器與箭上接口之間的對接或分離狀態(tài),吹除管則是正壓防護(hù)防結(jié)冰功能的部件之一。

圖1 低溫連接器結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Cryogenic connector structure

4 低溫連接器表面涂層方案

當(dāng)?shù)蜏剡B接器表面結(jié)冰后,頂盤運(yùn)動(dòng)路徑上的阻力增大,當(dāng)總阻力超過連接器的脫落力后,將會(huì)影響連接器的脫落可靠性。為了減小連接器表面冰層附著力,國內(nèi)首次提出在相對運(yùn)動(dòng)表面涂覆防結(jié)冰表面涂層的措施,并針對性開展相關(guān)研究試驗(yàn)。

本次研究與東南大學(xué)合作,依次設(shè)計(jì)了5 種表面涂層方案,根據(jù)下述要求分別處理并進(jìn)行對應(yīng)標(biāo)識(shí),其中采用的樣板見圖2。

圖2 試驗(yàn)樣板Fig.2 Test sample

4.1 方案一:鋁合金原材料（無涂層）

為降低低溫連接器重量,大部分零件為2A12 等鋁合金材料。為了對比涂覆疏水涂層后的防結(jié)冰/除冰性能,首先進(jìn)行了鋁合金原材料（無涂層）的基本性能測試,得到了水滴在鋁合金原材料表面的接觸角、滾動(dòng)角、設(shè)定溫度下的結(jié)冰時(shí)間及不同溫度下的冰層附著力。

4.2 方案二:表面涂抹7015 低溫脂

7015 低溫脂屬于烷基油,低溫下不易凝固且仍保持優(yōu)異的潤滑性,可有效降低相對運(yùn)動(dòng)表面間的摩擦力。低溫連接器傳統(tǒng)防結(jié)冰方案即采用涂覆7015低溫脂的方法,因此,方案二設(shè)計(jì)在金屬樣板表面涂抹7015 低溫脂,并重點(diǎn)對油脂表面冰的附著力進(jìn)行測試。

4.3 方案三:表面涂覆疏水涂層

與東南大學(xué)開展合作,應(yīng)用其研發(fā)的表面疏水涂層技術(shù)[7],對金屬樣板表面涂覆疏水涂層,并重點(diǎn)對涂層表面冰的附著力進(jìn)行測試。

為了獲得疏水涂層防結(jié)冰/除冰性能的數(shù)據(jù),在鋁合金原材料樣板的表面涂覆一層疏水涂層,然后通過相同測量方法,獲得了樣板表面的接觸角、滾動(dòng)角、設(shè)定溫度下的結(jié)冰時(shí)間及不同溫度下的冰層附著力。

4.4 方案四:表面涂覆疏水涂層+涂抹7015 低溫脂（均勻厚度）

為了研究7015 低溫脂對疏水涂層的影響,在疏水涂層樣板的表面再涂一均勻薄層7015 低溫脂,然后通過測量獲得了此狀態(tài)下的接觸角、滾動(dòng)角、設(shè)定溫度下的結(jié)冰時(shí)間及不同溫度下的冰層附著力。

4.5 方案五:表面涂覆疏水涂層+涂抹7015 低溫脂（不均勻厚度）

作為方案四的對比項(xiàng),為了驗(yàn)證7015 低溫脂的不同涂覆方法對樣板接觸角是否有影響,特開展了此次試驗(yàn)。與方案四不同,在疏水涂層樣板的表面采用手工方式直接涂抹7015 低溫脂,這就導(dǎo)致樣板表面各處油脂厚度是不完全均勻的,然后通過相同方法,測量獲得了此狀態(tài)下的接觸角。

5 試驗(yàn)方法及結(jié)果

通過專用設(shè)備,對以上每種方案的接觸角、滾動(dòng)角、設(shè)定溫度下的結(jié)冰時(shí)間及不同溫度下的冰層附著力進(jìn)行試驗(yàn)和測試,試驗(yàn)結(jié)果如下。

5.1 樣板接觸角和滾動(dòng)角測量

每種方案均準(zhǔn)備3 塊樣板,分別編號1#～3#,表面不做任何處理,每塊樣板各隨機(jī)選取2 個(gè)不同位置,采用針管緩慢擠下水滴,待水滴穩(wěn)定后通過專用設(shè)備測量接觸角數(shù)值,隨后采用樣板傾斜方法測量滾動(dòng)角。方案一、方案二和方案三接觸角測量結(jié)果見圖3。

圖3 不同方案接觸角測量結(jié)果及水滴形態(tài)Fig.3 Contact angle measurement results and droplet morphology of different schemes

接觸角測試后,采用樣板傾斜方法測量滾動(dòng)角,水滴開始滾動(dòng)時(shí)樣板的傾斜角度,即為對應(yīng)的滾動(dòng)角。方案二和方案三滾動(dòng)角測量結(jié)果見圖4,由于滾動(dòng)角測試為動(dòng)態(tài)過程,無法直接通過平面信息進(jìn)行展示,截取滾動(dòng)前、滾動(dòng)中兩個(gè)時(shí)刻進(jìn)行表示。

圖4 方案二和方案三滾動(dòng)角測量錄像Fig.4 Video recording of rolling angle measurement in schemes 2 and 3

5.2 樣板水滴結(jié)冰時(shí)間測試

每種方案選取樣板,選定兩處位置定義為a 點(diǎn)和b 點(diǎn),然后通過針管各擠下一滴水滴,在設(shè)定溫度-10℃情況下,通過顯微鏡觀察并拍攝記錄水滴結(jié)冰時(shí)間。觀察結(jié)果見圖5,其中透明部位為液態(tài)水滴,黑色部位為冰,從圖中可明顯看出冰從液滴底部逐漸向頂部“生長”,直至液滴完全變成黑色的冰珠。

圖5 液滴結(jié)冰過程Fig.5 Droplet freezing process

5.3 樣板冰層附著力測試

冰層附著力測試系統(tǒng)見圖6,主要包括制冷設(shè)備、溫度檢測儀、恒溫容器、附著力測試儀及電源等。試驗(yàn)設(shè)定3 個(gè)溫度（-20 ℃、-60 ℃、-100 ℃）,每個(gè)溫度下選取樣板上的3 個(gè)點(diǎn)測量冰層附著力,然后取平均值。

圖6 冰層附著力測試系統(tǒng)Fig.6 Ice adhesion test system

5.4 結(jié)果分析

對以上全部試驗(yàn)結(jié)果匯總見表1,由表可知:

表1 試驗(yàn)匯總表Table 1 Test summary sheet

（1）無涂層狀態(tài)下,鋁合金原材料表面接觸角試驗(yàn)測得45.3—65.7°,為親水性表面,水滴較容易吸附在其表面；

（2）疏水涂層的接觸角最大,滾動(dòng)角最小,結(jié)冰時(shí)間最長,表明涂層具有超疏水性；

（3）7015 低溫脂涂層的冰層附著力最小,更加適用于低溫連接器使用工況。

6 連接器零件表面應(yīng)用

為了驗(yàn)證疏水涂層應(yīng)用于低溫連接器表面的疏水效果,選取了低溫連接器的典型零件開展了試驗(yàn)驗(yàn)證。

6.1 測試結(jié)果

分別在連接器固定架和頂盤實(shí)物表面涂覆疏水涂層,隨后測試接觸角,并進(jìn)行疏水防結(jié)冰效果驗(yàn)證。涂覆疏水涂層前,零件局部進(jìn)行防護(hù),實(shí)物效果見圖7。

圖7 涂覆疏水涂層前局部防護(hù)Fig.7 Local protection before applying hydrophobic coating

疏水涂層涂覆后,采用接觸角測試儀對零件表面進(jìn)行測量,見圖8。固定架和頂盤表面各選取8 個(gè)位置,依次編號為1—8#,接觸角測量結(jié)果見表2?？梢姳砻娼佑|角基本位于153.5—161.5°之間,平均值為157.6°。方案三在樣板上涂覆疏水涂層后測得的接觸角位于159.2—161.4°之間,兩者基本一致。

圖8 測試固定架表面接觸角Fig.8 Test surface contact angle of mounting frame

表2 固定架和頂盤表面接觸角測量結(jié)果Table 2 Measuring results of contact angle between mounting frame and top plate surface

表面水滴微觀形態(tài)及接觸角測量結(jié)果見圖9,與方案三在樣板表面涂覆疏水涂層后觀察到水滴的微觀形態(tài)基本相同。

圖9 零件表面水滴微觀形態(tài)及接觸角Fig.9 Microscopic morphology and contact angle of water droplets on surface of parts

為進(jìn)一步測試固定架表面疏水的動(dòng)態(tài)特性,采用針管將水滴連續(xù)擠落在固定架表面,觀察水滴流動(dòng)狀態(tài),見圖10,水滴脫離針管落在固定架表面的同時(shí)即發(fā)生滾動(dòng),直至脫離固定架表面。這種現(xiàn)象說明,固定架表面的滾動(dòng)角是非常小的,也足以表明疏水涂層具有優(yōu)異的超疏水性。

圖10 固定架表面疏水性能測試Fig.10 Surface hydrophobic performance test of mounting frame

6.2 結(jié)果分析

通過以上測試結(jié)果可以看出,相同疏水涂層分別涂覆在樣板和零件表面,所測試的接觸角和滾動(dòng)角結(jié)果基本一致,表明零件表面的復(fù)雜結(jié)構(gòu)對疏水涂層的性能無顯著影響。

由于低溫推進(jìn)劑加注持續(xù)時(shí)間較長,低溫連接器處于低溫狀態(tài)都在5 小時(shí)以上,由表1 可知疏水涂層表面延緩了結(jié)冰時(shí)間,但遠(yuǎn)小于5 小時(shí),表明疏水涂層對于低溫連接器的防結(jié)冰效果不明顯,其實(shí)施效果主要在于降低冰層附著力上,后續(xù)可在對于有疏水需求的產(chǎn)品上進(jìn)一步開展應(yīng)用研究。傳統(tǒng)方案采用的7015 低溫脂涂層冰層附著力最小,此種方案對于降低低溫連接器的破冰阻力、提高連接器脫落可靠性效果更為明顯。

7 結(jié) 論

結(jié)合低溫連接器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及超低溫介質(zhì)輸送屬性,調(diào)研對比了各類表面涂層,并在此基礎(chǔ)上認(rèn)識(shí)到憎水性防冰涂層是一種對連接器防結(jié)冰有借鑒意義的措施。為了進(jìn)一步探究可工程應(yīng)用的具體措施,設(shè)計(jì)了多種低溫連接器表面涂層的方案,并開展了一系列測試,主要結(jié)論如下:

（1）低溫連接器用鋁合金材料2A12 表面為親水性表面,水滴較容易吸附在其表面,且冰層附著力大；

（2）7015 低溫脂涂層和疏水涂層的接觸角均超過100°,表明兩種涂層均具有疏水性,而7015 低溫脂涂層的冰層附著力最小,進(jìn)一步證明傳統(tǒng)防結(jié)冰方案的有效性；

（3）疏水涂層在樣板和零件表面的測試結(jié)果對比表明,低溫連接器零件表面的復(fù)雜結(jié)構(gòu)對疏水涂層的性能無影響；

（4）疏水涂層方案在疏水性能上更有優(yōu)勢,后續(xù)可在對疏水有使用需求的產(chǎn)品上進(jìn)一步開展研究。