基于磷光法增强飞机防冰液二次结冰的可视化预警研究

Icing is one of the important factors that endanger the safety of aircraft, and the simple, accurate judgment of icing can guarantee its safety. Aiming at the second-icing phenomenon of aircraft under the poor light condition of night, a new strategy for visualizing the second-icing of aircraft is designed by this project based on the environment-friendly carbon dots (CDs) with excellent optical characteristics. Firstly, the doping CDs (d-CDs) with excellent fluorescent quantum yield and stability will be synthesized by doping with heteroatom. By modifying and functionalization of their surface, the functional groups can be introduced to improve the rate of the intersystem crossing, which make the d-CDs posses the characteristics of phosphor emission at the same time. On the basis of this, the mechanism of photoluminescence of d-CDs, including fluorescence and phosphorescence, will also be studied theoretically in this project. Based on further studying of the interaction and influence between d-CDs and de/anti-icing fluid, a new type of aircraft de/anti-icing system with icing warning function will be constructed by introducing the synthesized fluorescent/phosphorescent d-CDs into the de/anti-icing fluid. For the d-CDs in solution, their phosphorescence could be quenched by the collision of solvent molecules, and only fluorescence emission for which could be observed. By using the inflexible vitreous structure of new d-CDs/anti-icing system produced by freezing phase transition, their phosphorescent emission could be generated. According to the “OFF-ON” effect of phosphorescence before and after icing, the visual forewarning for second-icing of aircraft could be realized.

结冰是危及航空飞行安全的重要因素之一，而实现飞机结冰的简单、准确判断则是保障飞行安全的前提与基础。本项目主要针对夜间光线不佳情况下飞机的结冰现象，基于环境友好碳量子点(CDs)的优良光学特性，提出了实现飞机二次结冰的可视化预警新策略。首先制备具有较高荧光量子产率和稳定性的杂原子掺杂CDs(d-CDs)，通过对其进行表界面修饰与功能化，引入能够提高系间穿越速率的功能性基团，使其具有磷光发射的特性；同时，结合实验研究，对d-CDs的荧/磷光发光机理进行理论研究。进一步将制备的具有荧光/磷光特性的d-CDs引入除/防冰液，深入研究其与除/防冰液的相互作用与影响，构建具有结冰预警功能的新型飞机除/防冰液体系。利用溶液状态时溶剂分子的碰撞对磷光的猝灭作用，使其只具荧光发射，而利用结冰相变产生的刚性玻璃体结构，实现其磷光发射；根据结冰前后磷光的“关-开”作用，从而实现飞机表面二次结冰的可视化预警。

随着全球一体化进程的加快，作为主要交通和运输工具之一的飞机因其速度快、出行效率高等因素，成为人们出行和物流运输首选方式，也得到了快速发展，因而飞机的飞行安全也受到了各界的广泛关注。飞机结冰是普遍存在的一种现象，已被公认是危及航空飞行安全的主要隐患之一，而目前结冰检测方式不能满足当前需要，因此，开发一种便捷、直观的结冰检测方法用于飞机起飞前机身结冰与否的可视化预警极为重要。本项目基于纳米材料的磷光特性，如背景干扰低、可视化识别等，根据研究方案，设计制备了系列基于碳基、硼基的室温磷光材料，并对其进行掺杂，通过引入杂原子或官能团（如C=N,C=O等），改善材料的能级结构，实现了其由荧光到磷光发射的产生与转化。进一步对材料表界面进行修饰与改性，不但实现了其磷光发射的增强，还使其具有溶液状态下无磷光产生结冰后产生肉眼可识别的磷光发射功能，从而成功构建了系列用于结冰可视化判断的磷光发光体系。在进行实验研究的同时，本项目还从理论上对不同材料磷光的产生及转化机理进行了深入研究。系统探索了影响不同类型材料磷光产生及基于相变发生变化的内在因素，为高性能磷光材料的设计、制备、修饰与调控提供了理论指导。进一步将制备的系列磷光发光体系和除防冰液相结合，研究了其在除防冰液中的磷光特性，在激发光照射下，实现了其结冰后磷光的产生，从而成功制备了具有结冰可视化预警功能的除防冰液。在此基础上，本研究还设计制备了其他类型的纳米材料，通过研究其表界面活性位点的调控方法，改善其光电化学性能，提高了其在催化和传感领域的应用能力，这些研究为后续更深入的研究奠定了基础。在基金的支持下，本项目研究成果共发表15篇SCI学术论文。先后有10名硕、博士研究生参与项目研究，其中5名硕士研究生已经毕业并获得学位。申请了3项发明专利，其中一项获得授权，圆满完成了研究计划。