一种适用于复杂外形和大曲率表面风洞试验模型的电加热涂层及其制备方法与流程

1.本发明属于风洞试验模型技术领域，尤其涉及一种适用于复杂外形和大曲率表面风洞试验模型的电加热涂层及其制备方法。


背景技术：

2.民用飞机的阻力一般由压差阻力、摩擦阻力、升致阻力构成，在巡航状态下摩擦阻力最高可占总阻力的一半。由于湍流边界层的摩擦阻力远大于层流边界层，通过扩大机翼表面的层流范围，可以有效减小机翼摩擦阻力，进而提供可观的减阻效果。
3.湍流与层流交界位置称为转捩层，转捩探测是层流测试飞行试验中是必不可少的手段。转捩探测的基本原理是通过测量机翼表面温度，利用转捩前后的温差判定转捩位置。红外技术的温度分辨力约为0.025k，利用红外相机完全能够满足转捩测量。但由于风洞试验时模型与风洞无法提供热源，所以层流与湍流的温差不明显，影响转捩测量。为此大量科研工作者通过加热试验模型，人为的将模型与风洞气流间温度拉大，配以红外相机拍摄，从而实现转捩位置的测量。
4.现阶段加热技术有以下的缺陷与不足：其一，对于大曲率不规则曲面模型，由于其表面展开图为不规则的扇面组合，常规矩形成品加热膜无法与大曲率不规则曲面模型表面共形，所以常规矩形加热膜在粘贴时会有重叠，无法与模型紧密贴合，并且在实际风洞试验中发现，由于加热膜是利用黏性胶贴在模型表面，其与模型交界面难免会残留微小气泡。高速气流下产生气压差，导致微小气泡变大影响试验结果，甚至导致整个加热膜被掀起，严重影响试验；其二，对于复杂不规则平面形状模型，由于已有电加热涂层制备时要求正负电极平行布置，且风洞试验模型形状各异，大部分表面不规则，导致加热涂层无法完全加热全部模型表面，不能达到理想的加热条件；其三，利用气动喷涂方法对大面积金属试验模型表面制备电加热涂层时，绝缘层的质量控制难度大，容易出现局部短路问题，无法针对性找到漏点，导致涂层制备返工率较高，增加了材料成本并且降低效率；第四，以往在喷涂导电涂层时，涂层较薄时无法导电，涂层过厚时整体电阻较小，加热时需要较大的电流驱动，由于模型内部空间有限，布置大电流所需粗导线难度较大，此外大电流对电源设备要求较高，整体加热难度增大；第五，风洞试验模型种类繁多，每次风洞试验所测量部位不一，现有加热膜一般为矩形，尺寸固定。对于这种非常规风洞试验，每次定制加热膜成本高，周期长，效率低。


技术实现要素：

5.为解决现有加热膜及导电涂层无法适用于风洞试验中大曲率不规则曲面表面加热、不易维修、成本高的问题，本发明提供了一种适用于复杂外形和大曲率表面风洞试验模型的电加热涂层及其制备方法。
6.本发明的技术方案：
7.一种适用于复杂外形和大曲率表面风洞试验模型的电加热涂层的制备方法，包括如下步骤：
8.步骤一、将绝缘底漆均匀喷涂到风洞试验模型表面待测区域，固化后得到绝缘层；
9.步骤二、用pet胶带将绝缘层表面划分成相同宽度的平行条带；
10.步骤三、将导电涂料均匀喷涂到步骤二已划定平行条带的绝缘层表面，导电涂料完全干燥后，去除步骤二粘贴的pet胶带，得到彼此分离的平行导电条带；
11.本发明利用微分原理将展开图为不规则扇面组合的模型表面转变为易于操作的矩形条带，从而解决了常规矩形加热膜无法与复杂大曲率模型表面共形的问题。并且通过控制矩形条带宽度和长度，将不规则平面模型铺满，得到模型全表面均匀加热的效果。
12.步骤四、测试各平行导电条带与风洞试验模型的金属表面是否短路，确认没有短路后，用导电胶带依次将相邻平行导电条带首尾串联，得到呈蛇形串联的平行导电条带；
13.本发明将平行导电条带串联，避免了以往平行电极布置方法无法满足全表面加热需求的问题。平行条带的具体宽度和长度根据待测加热区域与试验要求所需电阻值进行选取，因此能够在一定程度上增大平行导电条带的电阻，降低涂层电阻控制难度，保证各平行导电条带供电电流相同，加热均匀。
14.步骤五、利用绝缘uv树脂填平各平行导电条带间的间隙，uv固化后得到导电加热层；将间隙填平可保证涂层厚度一致，避免凹坑破坏试验模型表面质量影响气动力特性。
15.步骤六、在步骤五所得导电加热层表面喷涂保护层，固化后得到电加热涂层。
16.保护层的作用在于保护加热层，并且提高整体涂层红外反射率，避免反光，使红外相机拍摄图像质量提升。
17.进一步的，步骤一所述风洞试验模型表面的曲率≤10m-1
。
18.进一步的，步骤一所述绝缘底漆为聚氨酯底漆，所述聚氨酯底漆的喷涂厚度为10～20μm，自然放置24h或60℃烘烤1h后完全固化。
19.聚氨酯底漆具有良好的金属附着力与绝缘性，能够避免导电加热层与金属模型之间短路，避免贴膜中由于气泡的存在而导致风洞试验失败，以及防止涂层在风洞试验过程中因附着力差而被破坏。
20.进一步的，步骤二所述pet胶带的宽度为0.5～1.2mm，所述平行条带的宽度为3～10cm。进一步的，步骤三所述导电涂料为市售导电铜漆，所述导电铜漆的喷涂厚度为10～20μm，静置2h后完全干燥。
21.进一步的，步骤四检测到平行导电条带与风洞试验模型的金属表面存在短路时，利用甲苯溶剂将短路部分导电涂料去除，对已去除导电涂料的绝缘层周围区域进行遮挡保护，将快干自喷三防漆喷涂到已去除导电涂料的绝缘层上，待快干自喷三防漆干燥后，将导电涂料喷涂到已干燥的快干自喷三防漆表面，导电涂料干燥后检查其所在平行导电条带与风洞试验模型的金属表面是否仍存在短路。
22.本发明维修方法能够针对性找到局部短路孔洞位置，避免大面积重新制备涂层所造成的时间与材料浪费。
23.进一步的，所述快干自喷三防漆的喷涂厚度为10μm。
24.进一步的，步骤六所述保护层为快干清漆，所述快干清漆的喷涂厚度为10～20μm。
25.一种本发明适用于复杂外形和大曲率表面风洞试验模型的电加热涂层的制备方
法所制备的电加热涂层。
26.进一步的，电加热涂层的使用方法是利用导线将继电器与电加热涂层连接，在风洞吹风前通电加热涂层，使模型表面待测区域温度升高，待流场达到预定温度值时，关闭继电器，从红外相继热图即可观察到转捩位置。
27.本发明的有益效果：
28.本发明提供的电加热涂层制备方法利用细长条带微分原理，将大曲率表面风洞模型展开不规则扇面图布置满电加热涂层区域，解决了常规矩形加热膜无法与复杂大曲率模型表面共形的问题；利用细长条带微分原理与电阻串联原理，解决了以往平行电极布置方法无法满足全表面加热需求的问题，减少转捩等探测误差；利用气动喷涂方法可避免传统加热膜贴附残留气泡从而影响风洞试验结果；各细长平行导电条带相互独立，可针对性检查并修复短路问题，从而避免了大面积重新制备涂层所造成的时间与材料浪费；通过调节加热条带宽度等尺寸参数，可有效控制涂层整体电阻值。
附图说明
29.图1为实施例1电加热涂层的平行导电条带分布示意图；
30.图2为实施例1电加热涂层的平行导电条带蛇形串联的结构示意图；
31.图3为实施例2电加热涂层的平行导电条带分布示意图；
32.图4为实施例2电加热涂层的平行导电条带蛇形串联的结构示意图。
具体实施方式
33.下面结合实施例对本发明的技术方案做进一步的说明，但并不局限于此，凡是对本发明技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的保护范围中。下列实施例中未具体注明的工艺设备或装置均采用本领域内的常规设备或装置，若未特别指明，本发明实施例中所用的原料等均可市售获得；若未具体指明，本发明实施例中所用的技术手段均为本领域技术人员所熟知的常规手段。
34.实施例1
35.本实施例提供了一种适用于复杂外形和大曲率表面风洞试验模型的电加热涂层及其制备方法。
36.本实施例风洞试验模型待测区域表面的曲率为10m-1
，待测区域长度为40cm，宽度同模型表面。
37.本实施例电加热涂层的制备方法包括如下步骤：
38.步骤一、本实施例将聚氨酯底漆均匀喷涂到风洞试验模型表面的待测区域，喷涂厚度为20μm，自然放置24h得到完全固化的绝缘层；绝缘层面积与待测加热区域面积相同。
39.步骤二、用宽度为1.0mm的pet胶带将绝缘层表面划分成相同宽度的平行条带，如图1所示，根据本实施例绝缘层面积将平行条带的宽度设定为2cm，长度同模型表面；
40.步骤三、将导电铜漆均匀喷涂到步骤二已划定平行条带的绝缘层表面，喷涂厚度为20μm，静置2h使导电铜漆完全干燥；去除步骤二粘贴的pet胶带，得到间隙为1.0mm的彼此分离的平行导电条带；本实施例所用导电铜漆为市售产品。
41.步骤四、利用外用表测试各独立的平行导电条带是否与风洞试验模型的金属表面
短路；确认没有短路后，用双面导电胶带依次将相邻平行导电条带首尾串联，如图2所示，得到呈蛇形串联的平行导电条带；
42.步骤五、利用绝缘uv树脂填平各平行导电条带间的间隙，以紫外灯照射绝缘uv树脂使其固化，抛光绝缘uv固化树脂，得到导电加热层；
43.步骤六、在步骤五所得导电加热层表面喷涂快干清漆作为保护层，快干清漆的喷涂厚度为20μm；固化后得到带有电加热涂层的大曲率表面风洞试验模型待转捩测试区域。
44.本实施例使用的快干清漆为保美冠超快干清漆8017。
45.本实施例制备的加热涂层的具体使用方法，将继电器利用导线与电加热涂层和恒压电源相连，试验时利用电脑控制继电器开关，调节恒压电源获得理想功率。
46.试验时，在风洞吹风前打开继电器通电加热，通过红外相机观察待测区域，待温度达到要求时，关闭继电器吹风，流场达到预设条件时拍摄转捩位置。利用导线将继电器与布置电极连接；在风洞吹风前通电加热涂层，使模型待测区域温度升高；待流场达到预定值时，关闭继电器，从红外相机热图即可观察到转捩位置。
47.本实施例步骤四如果检测到平行导电条带间与风洞试验模型的金属表面存在短路，则按照如下方法进行维修：
48.利用甲苯溶剂将短路部分导电涂料去除，对已去除导电涂料的绝缘层周围区域进行遮挡保护，将快干自喷三防漆喷涂到已去除导电涂料的绝缘层上，喷涂厚度为10μm，待快干自喷三防漆干燥后，将导电涂料喷涂到已干燥的快干自喷三防漆表面，导电涂料干燥后检查其所在平行导电条带与风洞试验模型的金属表面是否仍存在短路。
49.本发明提供了一种适用于复杂外形和大曲率表面风洞试验模型，并且具有良好的局部维修性能，易控制整体电阻的电加热涂层制备方法，具体以微分细长条带加热层，利用电阻串联原理，有效的解决了以往电加热膜、电加热涂层受模型形状影响的局限性，且可实现针对性检查维修短路故障部分，并且可有效控制电加热涂层阻值，节省时间与材料成本，可应用于复杂平面或曲面风洞模型试验，大大拓展了应用范围，具有普遍适用性。
50.实施例2
51.本实施例提供了一种适用于复杂外形和大曲率表面风洞试验模型的电加热涂层及其制备方法。
52.本实施例风洞试验模型待测区域表面的曲率为2m-1
，待测区域长度为40cm，宽度同模型表面。
53.本实施例电加热涂层的制备方法包括如下步骤：
54.步骤一、本实施例将聚氨酯底漆均匀喷涂到风洞试验模型表面的待测区域，喷涂厚度为10μm，自然放置24h得到完全固化的绝缘层；绝缘层面积与待测加热区域面积相同。
55.步骤二、用宽度为1.2mm的pet胶带将绝缘层表面划分成相同宽度的平行条带，如图3所示，根据本实施例绝缘层面积将平行条带的宽度设定为4cm，长度设定为同模型表面；
56.步骤三、将导电铜漆均匀喷涂到步骤二已划定平行条带的绝缘层表面，喷涂厚度为10μm，静置2h使导电铜漆完全干燥；去除步骤二粘贴的pet胶带，得到间隙为1.2mm的彼此分离的平行导电条带；本实施例所用导电铜漆为市售产品。
57.步骤四、利用外用表测试各独立的平行导电条带是否与风洞试验模型的金属表面短路；确认没有短路后，用双面导电胶带依次将相邻平行导电条带首尾串联，如图4所示，得
到呈蛇形串联的平行导电条带；
58.步骤五、利用绝缘uv树脂填平各平行导电条带间的间隙，以紫外灯照射绝缘uv树脂使其固化，抛光绝缘uv固化树脂，得到导电加热层；
59.步骤六、在步骤五所得导电加热层表面喷涂快干清漆作为保护层，快干清漆的喷涂厚度为10μm；固化后得到带有电加热涂层的大曲率表面风洞试验模型待转捩测试区域。
60.本实施例使用的快干清漆为保美冠超快干清漆8017。
61.实施例3
62.本实施例提供了一种适用于复杂外形和大曲率表面风洞试验模型的电加热涂层及其制备方法。
63.本实施例风洞试验模型待测区域表面的曲率为1m-1
，待测区域长度为40cm，宽度同模型表面。
64.本实施例电加热涂层的制备方法包括如下步骤：
65.步骤一、本实施例将聚氨酯底漆均匀喷涂到风洞试验模型表面的待测区域，喷涂厚度为15μm，自然放置24h得到完全固化的绝缘层；绝缘层面积与待测加热区域面积相同。
66.步骤二、用宽度为0.5mm的pet胶带将绝缘层表面划分成相同宽度的平行条带，根据本实施例绝缘层面积将平行条带的宽度设定为1cm，长度设定同模型表面；
67.步骤三、将导电铜漆均匀喷涂到步骤二已划定平行条带的绝缘层表面，喷涂厚度为15μm，静置2h使导电铜漆完全干燥；去除步骤二粘贴的pet胶带，得到间隙为0.5mm的彼此分离的平行导电条带；本实施例所用导电铜漆为市售产品。
68.步骤四、利用外用表测试各独立的平行导电条带是否与风洞试验模型的金属表面短路；确认没有短路后，用双面导电胶带依次将相邻平行导电条带首尾串联，得到呈蛇形串联的平行导电条带；
69.步骤五、利用绝缘uv树脂填平各平行导电条带间的间隙，以紫外灯照射绝缘uv树脂使其固化，抛光绝缘uv固化树脂，得到导电加热层；
70.步骤六、在步骤五所得导电加热层表面喷涂快干清漆作为保护层，快干清漆的喷涂厚度为15μm；固化后得到带有电加热涂层的大曲率表面风洞试验模型待转捩测试区域。
71.本实施例使用的快干清漆为保美冠超快干清漆8017。
72.本发明的具体保护范围不仅限以上解释说明，任何在本发明揭露的技术思路范围内，及根据本发明的技术方案加以简单地替换或改变，都应在本发明的保护范围之内。

技术特征：
1.一种适用于复杂外形和大曲率表面风洞试验模型的电加热涂层的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤一、将绝缘底漆均匀喷涂到风洞试验模型表面待测区域，固化后得到绝缘层；步骤二、用pet胶带将绝缘层表面划分成相同宽度的平行条带；步骤三、将导电涂料均匀喷涂到步骤二已划定平行条带的绝缘层表面，导电涂料完全干燥后，去除步骤二粘贴的pet胶带，得到彼此分离的平行导电条带；步骤四、测试各平行导电条带与风洞试验模型的金属表面是否短路，确认没有短路后，用导电胶带依次将相邻平行导电条带首尾串联，得到呈蛇形串联的平行导电条带；步骤五、利用绝缘uv树脂填平各平行导电条带间的间隙，uv固化后得到导电加热层；步骤六、在步骤五所得导电加热层表面喷涂保护层，固化后得到电加热涂层。2.根据权利要求1所述一种适用于复杂外形和大曲率表面风洞试验模型的电加热涂层的制备方法，其特征在于，步骤一所述风洞试验模型表面的曲率≤10m-1
。3.根据权利要求1或2所述一种适用于复杂外形和大曲率表面风洞试验模型的电加热涂层的制备方法，其特征在于，步骤一所述绝缘底漆为聚氨酯底漆，所述聚氨酯底漆的喷涂厚度为10～20μm，自然放置24h或60℃烘烤1h后完全固化。4.根据权利要求3所述一种适用于复杂外形和大曲率表面风洞试验模型的电加热涂层的制备方法，其特征在于，步骤二所述pet胶带的宽度为0.5～1.2mm，所述平行条带的宽度为3～10cm。5.根据权利要求4所述一种适用于复杂外形和大曲率表面风洞试验模型的电加热涂层的制备方法，其特征在于，步骤三所述导电涂料为市售导电铜漆，所述导电铜漆的喷涂厚度为10～20μm，静置2h后完全干燥。6.根据权利要求5所述一种适用于复杂外形和大曲率表面风洞试验模型的电加热涂层的制备方法，其特征在于，步骤四检测到平行导电条带与风洞试验模型的金属表面存在短路时，利用甲苯溶剂将短路部分导电涂料去除，对已去除导电涂料的绝缘层周围区域进行遮挡保护，将快干自喷三防漆喷涂到已去除导电涂料的绝缘层上，待快干自喷三防漆干燥后，将导电涂料喷涂到已干燥的快干自喷三防漆表面，导电涂料干燥后检查其所在平行导电条带与风洞试验模型的金属表面是否仍存在短路。7.根据权利要求6所述一种适用于复杂外形和大曲率表面风洞试验模型的电加热涂层的制备方法，其特征在于，所述快干自喷三防漆的喷涂厚度为10μm。8.根据权利要求7所述一种适用于复杂外形和大曲率表面风洞试验模型的电加热涂层的制备方法，其特征在于，步骤六所述保护层为快干清漆，所述快干清漆的喷涂厚度为10～20μm。9.一种如权利要求1-8任一所述的适用于复杂外形和大曲率表面风洞试验模型的电加热涂层的制备方法所制备的电加热涂层。10.根据权利要求9所述的电加热涂层，其特征在于，电加热涂层的使用方法是利用导线将继电器与电加热涂层连接，在风洞吹风前通电加热涂层，使模型表面待测区域温度升高，待流场达到预定温度值时，关闭继电器，从红外相继热图即可观察到转捩位置。

技术总结
本发明涉及一种适用于复杂外形和大曲率表面风洞试验模型的电加热涂层及其制备方法，属于风洞试验模型技术领域。为解决现有加热膜及导电涂层无法适用于风洞试验中大曲率不规则曲面表面加热、不易维修、成本高的问题，本发明提供了一种适用于复杂外形和大曲率表面风洞试验模型的电加热涂层的制备方法，包括制备绝缘层、在绝缘层上制备呈蛇形串联的平行导电条带得到导电层；在导电层表面喷涂保护层，固化后得到电加热涂层。本发明解决了常规矩形加热膜无法与复杂大曲率模型表面共形的问题、减少转捩等探测误差；可针对性检查并修复短路问题，从而避免了大面积重新制备涂层所造成的时间与材料浪费。间与材料浪费。间与材料浪费。


技术研发人员：王猛 阚奇 许东洋
受保护的技术使用者：中国航空工业集团公司沈阳空气动力研究所
技术研发日：2023.05.26
技术公布日：2023/8/28