CN102424354B - 分形结构粗糙表面 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种分形结构粗糙表面，包括基体，其特征在于：在所述的基体上设置有一不凝性气膜层，该不凝性气膜层由压缩气体发生器、气体容纳腔和多孔芯组成，所述的多孔芯通过连接件配置在所述的基体的表面上，所述的基体与所述的多孔芯之间的缝隙形成所述的气体容纳腔；在所述的多孔芯的外表面设置有粗糙结构，该粗糙结构为具有分形特征的一系列微肋结构，至少具有两级的凹凸微肋分布，以形成超疏水表面；所述的不凝性气膜层产生的不凝性气体维持有一定的压力，浸于微肋结构之间的孔隙中。本发明结合了超疏水表面和气膜这两种流动减阻技术，因而可实现高效流动减阻和节能的目的。

Description

分形结构粗糙表面

技术领域

本发明涉及一种流动减阻的功能性结构元件，具体涉及的是一种分形结构粗糙表面。

背景技术

超疏水表面是实现流动减阻的一种优选技术。表面疏水时，降低固体的表面自由能，能够提高固体表面的疏水性，但仅仅依靠降低物质表面自由能是无法达到超疏水的，必须对表面的粗糙结构加以考虑以达到超疏水性。荷叶表面正是粗糙表面和疏水材料的完美结合．荷叶效应这种自洁和疏水功能，启发人们模拟荷叶表面的微结构，制备具有防黏减阻功能的仿生表面．已有的研究表明，荷叶表面的阶层结构具有分形特征，表面粗糙分布的分形结构被认为是形成超疏水表面的理想结构。另外，在固体表面与液体之间形成不凝性气膜也是实现流动减阻的一种重要技术途径。由于气膜的存在，液体无法渗透入表面凹槽结构内，缩小了固体表面与液体接触面，减小液体与固体表面之间的摩擦力。

为此，本发明针对具有疏水特性的表面提供了一种分形结构粗糙表面，得到具有超疏水性的功能表面，并在此粗糙表面嵌入不凝性气膜层。本发明结合了超疏水表面和气膜这两种流动减阻技术，因而实现高效流动减阻和节能的目的。

发明内容

本发明提供了一种分形结构粗糙表面，该表面结合了超疏水表面和气膜这两种流动减阻技术以实现高效节能的目的。

技术方案

为实现表面结构的流动减阻进而达到高效节能的目的，本发明采用的技术方案是：

一种分形结构粗糙表面，包括基体，其特征在于：在所述的基体上设置有一不凝性气膜层，该不凝性气膜层由压缩气体发生器、气体容纳腔和多孔芯组成，所述的多孔芯通过连接件配置在所述的基体的表面上，所述的基体与所述的多孔芯之间的缝隙形成所述的气体容纳腔；在所述的多孔芯的外表面设置有粗糙结构，该粗糙结构为具有分形特征的一系列微肋结构，至少具有两级的凹凸微肋分布，以形成超疏水表面；所述的不凝性气膜层产生的不凝性气体维持有一定的压力，浸于微肋结构之间的孔隙中。

荷叶表面具有双微观结构特征（微米尺度的微观结构和纳米尺度的微观结构），大量空气储存在微米尺度的凹凸腔体中， 使得水珠只与荷叶表面乳突上面的纳米尺度的蜡质晶体毛茸相接触，这就是荷叶表面具有超疏水性的原因所在。受此思想启迪，本发明采用具有分形特征的多级凹凸微肋结构来构建具有多尺度粗糙结构表面，并镀上低表面能的物质使其达到超疏水性。低表面能物质为有机硅单体、含氟、硅基团的物质和聚四氟乙烯等。

所述的压缩气体发生器产生的高压气体进入到所述的气体容纳腔，接着均匀地渗透入多孔芯的连通空腔中进而进入到微肋结构体之间的孔隙中。由于孔隙中的气体维持有一定的压力，液体无法渗透入孔隙中，缩小了固体表面与液体接触面，减小液体与固体表面之间的摩擦力。这样，气膜的存在，托起了流过表面的液体，进一步减少了液体流过超疏水表面流动阻力。

有益效果

本发明针对具有疏水特性的表面提供了一种分形结构粗糙表面，采用具有多级凹凸微肋结构来构建具有多尺度粗糙结构表面，并镀上低表面能的物质使其达到超疏水性。另外，在此粗糙结构表面嵌入维持有一定压力的不凝性气膜层，进一步托起流过表面的液体。本发明结合了超疏水表面和气膜这两种流动减阻技术，因而可实现高效流动减阻和节能的目的。

附图说明

图1 分形结构粗糙表面。

图2 粗糙结构立体示意图。

图3粗糙结构在x方向上的生成示意图。

图4粗糙结构在y方向上的生成示意图。

图中1. 基体；2.不凝性气膜层；3.粗糙结构；4.压缩气体发生器；5.气体容纳腔；6.多孔芯；7.低表面能物质；8.微肋结构；9. 液体。

具体实施方式

下面结合附图进行更进一步的详细说明：

图1给出了分形结构粗糙表面示意图，一种分形结构粗糙表面，由基体1、不凝性气膜层2和粗糙结构3所组成。不凝性气膜层2由压缩气体发生器4、气体容纳腔5和多孔芯6所组成。多孔芯6通过连接件7配置在基体1的表面上，基体1与多孔芯6之间的缝隙形成气体容纳腔5。粗糙结构3配置在多孔芯6的表面上。多孔芯6的外表面和粗糙结构3的外表面均镀上低表面能物质7以提高表面疏水性。粗糙结构为粗糙分布具有分形特征的一系列微肋结构8，以形成超疏水表面。不凝性气膜层2产生的不凝性气体维持有一定的压力，浸于微肋结构8之间的孔隙中以托起流过表面的液体9。

图2给出了粗糙结构立体分布，该图清晰地表达本发明涉及的粗糙结构。对于长宽为L ₀×W ₀的表面单元体，生成具有分形结构特征粗糙表面的步骤如下：

(1) 沿x方向，将表面轮廓分为(2s-1)段（x向第0级），将各段从左到右按1，2······2s-1依次排序，其中奇数段与奇数段等长，偶数段则与偶数段等长，奇数段总长L _x , ₁为初始表面长度L ₀的1/f _x (x向尺度缩放系数f _x >1)。在高度方向上（z向），偶数段凸起高度保持h ₀；

(2) 将上述各奇数段再次按上述方法各分成(2s-1)段，其中的偶数段高度h _z,1为上一级偶数段凸起高度h ₀的1/f _z (z向尺度缩放系数f _z >1)；

(3) 不断重复以上步骤，生成如图3所示的x方向上的粗糙结构。根据这种方法生成的 (n+1)级x方向长度和凸起高度分别为

(1)

(2)

(4) 对于向上凸起的每一段粗糙轮廓，将其作为该段y向第0级表面轮廓，其高度设为H ₀。将凸起的每一段粗糙轮廓分为(2k-1)段，沿y方向将各段按1，2······2k-1依次排序，其中奇数段与奇数段等长，偶数段则与偶数段等长，奇数段总宽L _y , ₁为初始表面宽度W ₀的1/f _y (y向尺度缩放系数f _y >1)。在高度方向上（z向），偶数段下凹深度H _z,1=H/f _z ；

(5) 将步骤(4)中各奇数段再次按上述方法各分成(2s-1)段，其中的偶数段高度H _z,2为上一级偶数段下凹深度H _z,1的1/f _z (f _z >1)，奇数段总宽L _y , ₂为上一级宽度L _y , ₁的1/f _x (f _x >1)；

(6) 不断重复以上步骤(4)、(5)，生成如图4所示的y方向上的粗糙结构。根据这种方法生成的 (n+1)级y方向宽度和下凹深度分别为

(1)

(2)

f _y、f _z 分别为y、z向尺度缩放系数。

Claims (2)

1.一种分形结构粗糙表面，包括基体，其特征在于：在所述的基体上设置有一不凝性气膜层，该不凝性气膜层由压缩气体发生器、气体容纳腔和多孔芯组成，所述的多孔芯通过连接件配置在所述的基体的表面上，所述的基体与所述的多孔芯之间的缝隙形成所述的气体容纳腔；在所述的多孔芯的外表面设置有粗糙结构，该粗糙结构为具有分形特征的一系列微肋结构，至少具有两级的凹凸微肋分布，以形成超疏水表面；在所述的多孔芯的外表面和所述的粗糙结构的外表面均镀上低表面能物质；所述的不凝性气膜层产生的不凝性气体维持有一定的压力，浸于微肋结构之间的孔隙中。

2.根据权利要求1所述的分形结构粗糙表面，其特征在于：所述的粗糙结构具有分形结构特征，对于第(n+1)级，x方向长度为z方向凸起高度为 $h_{z,n+1}=\left(\frac{1}{f_z}\right)h_{z,n}={\left(\frac{1}{f_z}\right)}^{n+1}{h}_0,$ y方向宽度为 $L_{y,n+1}=\left(\frac{1}{f_y}\right)L_{y,n}={\left(\frac{1}{f_y}\right)}^{n+1}{W}_0,$ z方向下凹深度为其中：L₀、W₀分别为表面单元体长和宽，f_x、f_y、f_z分别为x、y、z向尺度缩放系数，h₀、H₀分别为第0级凸起高度和下凹深度。