微納米氣泡清洗飛機外表面油污研究

摘 要：飛機外表面殘留的油污會受環(huán)境影響形成復(fù)合污染物，對飛機的外觀以及綜合性能影響較大。本文針對這類以油污為主的復(fù)合污染物設(shè)計了一套微納米氣泡清洗系統(tǒng)，將典型油污和制備的復(fù)合油污均勻附著于模擬飛機外表面的試片上進行清洗試驗。試驗結(jié)果表明3種典型油污的清洗難度不同，復(fù)合油污的清洗難度比單一油污高，微納米氣泡清洗這類油污的效果優(yōu)于純水。

關(guān)鍵詞：材料表面與界面；微納米氣泡；清洗；飛機外表面油污；航空維護

中圖分類號：TG 17 " " " " 文獻標(biāo)志碼：A

當(dāng)飛機?？吭跈C場時，其外表面會附著較多顆粒、鹽類和油污等污染物，如果這些污染物長期存在，就會影響飛機的外觀及其綜合性能，因此，在航空工業(yè)中，清洗飛機外表面的污染物是保持飛機性能和延長使用壽命的重要措施。傳統(tǒng)清洗方法使用大量有機溶劑，不僅會嚴(yán)重污染環(huán)境，還會危害操作人員的身體健康，溶劑型清洗劑也不能滿足最新戰(zhàn)機外表面功能性涂層的清洗要求，因此，需要采用一種環(huán)境友好、成本低以及安全的清洗方法。微納米氣泡清洗技術(shù)是一種新型物理清洗技術(shù)，已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用。該技術(shù)利用大量微米和納米尺度的氣泡清洗工件，研究表明，其對顆粒、鹽類和油污等污染物的清洗效果均十分良好[1]。該技術(shù)不需要添加化學(xué)清洗劑，保護環(huán)境，滿足當(dāng)前清洗領(lǐng)域的需求。

1 試驗與方法

1.1 微納米氣泡發(fā)生裝置設(shè)計

裝置采用水力剪切式，其清洗流程如圖1所示。氣泡發(fā)生原理為在文丘里管中通入一定量的空氣，空氣在水流的作用下分散為大氣泡，當(dāng)含有大氣泡的液體通過管徑突然縮小再擴大的文丘里管的喉部時，壓力快速降低，氣泡膨脹，在壓力快速恢復(fù)和沖擊波的作用下，大氣泡在短距離內(nèi)發(fā)生了急劇減速[2]，破碎為小氣泡，管內(nèi)湍流使小氣泡劇烈變形，破碎為微納米氣泡。微納米氣泡發(fā)生裝置結(jié)構(gòu)簡單，可靠性高并且造價低，適合大規(guī)模推廣使用。裝置采用射流沖洗，可利用射流的高流速產(chǎn)生更多微納米氣泡[3]，適用性較強。

1.2 微納米氣泡清洗試驗設(shè)計

1.2.1 微納米氣泡清洗系統(tǒng)設(shè)計

系統(tǒng)根據(jù)《微細氣泡技術(shù) 清洗應(yīng)用第2部分：機械加工金屬零件表面機械油污清洗的試驗方法》設(shè)計，按照實際應(yīng)用場景進行調(diào)整，其清洗流程如圖1所示。使用調(diào)壓水泵將水注入微納米氣泡發(fā)生裝置中，以射流形式將微納米氣泡水噴射在涂抹污染物的試片上，利用金屬網(wǎng)和鐵夾固定污染試片，清洗后清洗水箱收集廢水排入排水池中。

1.2.2 污染物試片制作

1.2.2.1 污染物的選擇

選擇3種航空領(lǐng)域常見的油污作為污染物的主要成分，分別為4050航空潤滑油、15號航空液壓油和航空燃油。分別對其進行清洗試驗，根據(jù)試驗結(jié)果將最難清洗的一種油污作為主要研究對象，在其中加入增稠劑和顆粒污染物。在實際應(yīng)用場景中，由于飛機外表面的油污長時間受到外部環(huán)境影響，其稠度更高，更難去除，因此須加入增稠劑，增加油污稠度，以模擬在實際場景中的污染物性質(zhì)。選擇碳黑和高嶺土作為顆粒污染物，模擬有機物不完全燃燒或熱解而成的黑色粉末狀物質(zhì)以及空氣中的泥土和灰塵。

1.2.2.2 確認(rèn)清洗試片

在經(jīng)過陽極氧化后的鋁合金材料上噴涂TS96-71氟聚氨酯無光磁漆，制成清洗試片（寬度∶高度∶厚度=

110 mm∶150 mm∶1 mm）。將所需的污染物按一定質(zhì)量比置于燒杯中，攪拌至充分混合，使用油刷或金屬勺將污染物均勻涂抹在試片上，將試片懸掛靜置至不再有污染物滴落。

1.2.2.3 試驗方法

將原始試片放置在天平上進行稱量，記錄該質(zhì)量為m0，將已經(jīng)制備好的污染試片從懸掛處取下，稱量后記錄該質(zhì)量為m1，使用鐵夾與金屬網(wǎng)固定試片于水箱內(nèi)部，調(diào)節(jié)清洗系統(tǒng)的各項參數(shù)至特定工況。打開水泵開關(guān)，生成含有微納米氣泡的水射流至污染試片表面，清洗一定時間后關(guān)閉水泵開關(guān)，取下試片，放入烘箱中懸掛，在烘箱60 ℃的條件下干燥30 min。取出試片后拭去底部油滴并稱重，記錄該質(zhì)量為m2，清洗效率為R，試驗重復(fù)6次以上來提高結(jié)果的可靠性，如公式（1）所示。

（1）

2 結(jié)果與分析

在不改變工況參數(shù)的情況下，保持入口壓力為0.15 MPa，出口壓力為大氣壓，氣體流量為40 mL/min，水溫為室溫，射流出口與試片垂直距離為10 cm。當(dāng)生成微納米氣泡時，射流出口噴射的流體呈現(xiàn)乳白色；當(dāng)使用純水清洗時，射流出口噴射的流體無色透明。

2.1 單一油污清洗

對3種油污來說，清洗時間越長，清洗效率越好。航空燃油的清洗難度最低，水和微納米氣泡清洗15 s和30 s，

清洗效率都達到98％以上，水和微納米氣泡的清洗效率沒有差異，如圖2（a）所示。15號航空液壓油的清洗難度較低，水和微納米氣泡清洗15 s后，清洗效率分別為82.25％和92.59％；清洗30 s后，清洗效率分別為90.14％和98.28％，微納米氣泡清洗15號航空液壓油的效果較好，如圖2（b）所示。3種典型油污中清洗難度最高的是4050航空潤滑油，水和微納米氣泡清洗15 s后，清洗效率分別為46.12％和62.55％，清洗30 s后，清洗效率分別為68.23％和85.87％，如圖2（c）所示。對較難清洗的15號航空液壓油和4050航空潤滑油來說，微納米氣泡的清洗效果比純水清洗更好，在清洗過程中，兩者均不會損傷試片表

面的涂層。

選擇清洗難度最高的潤滑油作為研究的典型油污，在4050航空潤滑油中按一定質(zhì)量配比加入油品增稠劑，試驗結(jié)果如圖3所示。使用水和微納米氣泡清洗單一潤滑油的清洗效率隨時間變化的情況如圖3（a）所示，隨著清洗時間延長，純水與微納米氣泡的清洗效率均顯著提高，微納米氣泡的清洗效率比純水更好。當(dāng)潤滑油與增稠劑的質(zhì)量比為8∶2時，使用純水和微納米氣泡清洗300 s，清洗效率分別為65.55％和77.68％，如圖 3（b）所示。隨著增稠劑質(zhì)量占比提升，在同樣的時間內(nèi)，微納米氣泡和純水的清洗效率顯著降低。當(dāng)潤滑油與增稠劑的質(zhì)量比為7∶3時，清洗300 s后，純水和微納米氣泡的清洗效率分別為62.27％和77.29％，如圖 3（c）所示。當(dāng)潤滑油與增稠劑的質(zhì)量比為6∶4時，清洗300 s后，純水和微納米氣泡的清洗效率分別為56.22％和64.38％，如圖 3（d）所示。加入增稠劑，質(zhì)量增加，混合油污的稠度變高，混合油污與物體表面的結(jié)合力顯著增加，水流和微納米氣泡難以將污染物從試片表面分離，導(dǎo)致清洗效果變差。當(dāng)混合污染物的稠度提高到一定程度時，微納米氣泡和純水不能將混合污染物從試片表面分離，即使清洗時間較長，兩者也不能達到較好的清洗效果。

2.2 油污與顆粒的混合污染物清洗

在4050航空潤滑油中加入不同種類的顆粒污染物，潤滑油與顆粒污染物的質(zhì)量比均為9∶1。加入高嶺土后，與單一潤滑油相比，混合油污的清洗難度沒有明顯提升，如圖4（a）、圖4（c）所示。當(dāng)清洗時間為30 s時，對單一4050航空潤滑油來說，純水和微納米氣泡的清洗效率分別為68.23％和85.87％，微納米氣泡的清洗效果優(yōu)于純水；加入碳黑后，純水和微納米氣泡的清洗效率分別為44.20％和61.52％，清洗難度顯著提高，如圖4（a）、圖4（b）所示。對單一4050潤滑油和加入高嶺土的混合油污來說，純水和微納米氣泡在清洗150 s后均能達到較好的清洗效果，加入碳黑的混合油污需要清洗300 s 才能達到效果。加入碳黑后清洗難度提高主要有2個原因。1）碳黑顆粒不容易被水潤濕，導(dǎo)致其很難從試片表面分離。2）碳黑的粒度極小，非常容易與潤滑油相結(jié)合，也容易在試片表面再次聚集，更難去除。加入碳黑后，即使清洗效率達到較高水平，試片表面仍然有可視的黑色污染物，雖然其體積非常小，但是極難去除。

2.3 微納米氣泡清洗油污的原理

清洗試驗結(jié)束后，取下試片進行觀察，結(jié)果如圖5所示，使用2種不同材料清洗后的試片表面的污染物形態(tài)存在顯著差異。經(jīng)過純水清洗的試片表面污染物整體呈現(xiàn)更為明顯的散射狀分布，污染物顏色更深，這說明表面仍然有較多污染物殘留；經(jīng)過微納米氣泡清洗的試片表面整體污染物分布更均勻，散射狀的紋路更細密。在噴口直接沖擊范圍內(nèi)，經(jīng)過純水清洗的試片污染物殘留更多，經(jīng)過微納米氣泡清洗，黑色油污脫離試片表面，涂層重新顯露。在水流的直接沖擊作用下，復(fù)合污染物由射流沖擊區(qū)域的中心向四周擴散，難以將復(fù)合污染物從試片表面分離，但是其只在試片表面位置進行轉(zhuǎn)移，沒有隨著流體脫離試片表面。微納米氣泡和水的共同作用使污染物徹底脫離試片表面，試片恢復(fù)涂層原色。

有研究表明，微納米氣泡對污染物的清洗原理主要有以2種。1）利用較多微小氣泡破裂產(chǎn)生的沖擊波和液體射流對物體表面施加大量且頻繁的小沖擊，削弱污染物與固體表面之間的結(jié)合力，從而將污染物從物體表面剝離[4]。2）微納米氣泡比表面積較大，界面?zhèn)髻|(zhì)速率高，大量微納米氣泡的巨大總表面積提高了氣泡和污染物的吸附概率，當(dāng)吸附于油污以及物體表面時，微納米氣泡會在試片表面發(fā)生移動并相互結(jié)合，形成更大的氣泡，更大的氣泡會破裂或因為水流的作用離開試片表面，從而將油污從試片表面分離[5]，該過程如圖6所示。這兩者共同作用，可以有效地去除試片表面存在的油污和微小顆粒，這種清洗方法的清洗效力比較溫和，不會損傷試片表面[6]。

3 結(jié)論

在3種油污中，航空燃油的清洗難度最低，4050航空潤滑油的清洗難度最高，微納米氣泡的清洗效果比純水更好。在4050航空潤滑油中加入高嶺土后，復(fù)合污染的清洗效率幾乎不變；加入碳黑后，復(fù)合污染的清洗效率下降，說明碳黑與4050航空潤滑油的復(fù)合油污更難清洗，微納米氣泡對油污的清洗效果更好。綜上所述，微納米氣泡對飛機涂層表面的復(fù)合油污具有較好的清洗效力，不會損傷涂層表面。

參考文獻

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作者簡介：陸晨曦（1981-），男，江蘇蘇州人，本科，高級工程師，研究方向為飛機維修。

電子郵箱：179635718@qq.com。

通信作者：鄧陽?。?991-），男，本科，江西寧都人，工程師，研究方向為涂層技術(shù)。

電子郵箱：22413992@qq.com。