CN104044694A - 一种自适应微结构防污减阻材料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于海洋节能材料制备技术领域，涉及一种自适应微结构防污减阻材料及其制备方法，具有自适应微结构防污减阻材料为有机硅弹性体材料，其自适应微结构基本单元呈锯齿形，锯齿形基本单元相互间隔交错排布形成阵列状，先在单晶硅片上制备与自适应微结构相对应的光掩膜，再对单晶硅片进行等离子体刻蚀，制备得到锯齿形凹陷图案的单晶硅片后将锯齿形凹陷图案的单晶硅片用胶带封边，倒入液体硅橡胶，固化后揭下液体硅橡胶，即制备得到具有自适应微结构的防污减阻材料；其制备工艺简单，成本低，使用安全，环境友好，通过防污结构和减阻结构自适用转换实现静态时防污和动态时减阻功能的结合，能更好的满足船舶节能减阻需求。
Description
技术领域：
本发明属于海洋节能材料制备技术领域，涉及一种自适应微结构防污减阻材料及其制备方法，特别是一种能够在流体剪切作用下呈现防污结构和减阻结构自适用转换的表面材料及其制备方法。
背景技术：
船舶阻力是衡量船舶快速性能的优劣的总体性能指标之一，对船舶经济性能有重大影响。摩擦阻力和生物污损是船舶航行阻力的主要来源：摩擦阻力约占总阻力的40％-80％，减小这部分阻力对于船舶减阻极为重要；此外，生物污损也会严重影响船舶阻力，轻微污损会增加11-20％的航行阻力，严重污损则使之剧增80％。因此，采取措施减小摩擦阻力并防止生物污损对船舶的节能降耗具有重要意义。
微结构表面材料是目前减阻、防污的重要技术手段之一，微结构减阻源于对鲨鱼表皮鳞片结构的仿生，如专利CN201010532238.0(基于鲨鱼皮表面和基体结构的仿生减阻膜材及其制备方法)、专利CN201110095665(具有柔性壁和仿鲨鱼皮微沟槽的复合减阻蒙皮的制作方法)，专利CN201210345606.X(一种多变环境下仿鲨鱼减阻表面结构调控制造方法)和专利CN201210168736.0(飞艇蒙皮用具有减阻微沟槽结构的PU或TPU薄膜)等公开的微结构减阻技术或材料，这类减阻结构的形貌一般以沟槽结构为主，其目的是约束水流状态趋于有序，减小流体摩擦阻力。污损生物能否形成有效附着取决于被附着面能否提供足够的附着点，而具有特定形貌的微结构表面可以有效减少污损生物的附着点，从而达到防污的目的，如专利CN201110256062.5(一种尺度可调控多孔微结构表面防污材料)、专利CN201110376218.3(一种表面具有十字形规则微结构的防污材料的制备方法)和专利CN200910018937.0(一种球形突起微结构表面防污材料的制备方法)等公开的具有特定微结构的防污材料，其目的是减少污损海生物的附着点，进而实现防污。
对船舶节能减阻而言，采取措施减小船舶航行时的摩擦阻力并防止船舶停靠时的生物污损极为重要，但因减阻、防污微结构材料的设计原理差距较大，以及船舶停靠与航行时对防污、减阻功能要求的差异，现有技术还难以设计制备兼有防污、减阻功能的表面材料。
发明内容：
本发明的目的在于克服现有技术存在的缺点，提供一种自适应微结构防污减阻材料及其制备方法，通过流体剪切作用下防污微结构和减阻微结构自适用转换实现静态时防污和动态时减阻功能的结合，同时满足船舶防污和节能减阻需求。
为了实现上述目的，本发明所述的具有自适应微结构防污减阻材料为有机硅弹性体材料，其自适应微结构基本单元呈锯齿形，锯齿形基本单元相互间隔交错排布形成阵列状，其中锯齿形基本单元的锯齿长度为10-60微米，锯齿高度与锯齿长度的比值为0.2-0.5，锯齿基底高度与锯齿高度的比值为0.25；锯齿形基本单元的纵向间距为5-30微米，横向间距与锯齿长度的比值为1；锯齿形基本单元的凸起高度为30-90微米；所用有机硅弹性体材料包括加成型有机硅弹性体和缩合型有机硅弹性体。
本发明中自适应微结构防污减阻材料的具体制备工艺过程为：先采用常规的电子束刻蚀方法在单晶硅片上制备与自适应微结构相对应的光掩膜，再利用常规的深硅刻蚀方法对单晶硅片进行等离子体刻蚀，控制刻蚀深度为30-90微米，制备得到锯齿形凹陷图案的单晶硅片；然后将锯齿形凹陷图案的单晶硅片用胶带封边后倒入除气的液体硅橡胶，在室温下固化后揭下液体硅橡胶，即制备得到具有自适应微结构的防污减阻材料。
本发明与现有技术相比，解决了现有技术手段因减阻、防污材料的设计原理差距较大，以及船舶停靠与航行时对防污、减阻功能要求的差异，难以实现防污、减阻功能兼顾的问题，其制备工艺简单，成本低，使用安全，环境友好，通过防污结构和减阻结构自适用转换实现了静态时防污和动态时减阻功能的结合，能更好的满足船舶节能减阻需求。
附图说明：
图1为本发明涉及的基本单元结构原理示意图。
图2为本发明涉及的自适应微结构阵列排布俯视图。
图3为本发明实施例4涉及的微结构冲刷前后的形貌图，其中A为冲刷前的形貌图，B为冲刷后的形貌图。
具体实施方式：
下面通过实施例并结合附图对本发明作进一步说明。
本实施例提供的具有自适应微结构的有机硅弹性体材料，其自适应微结构基本单元呈锯齿形，并间隔交错排布形成的阵列，其中锯齿长度a为10-60微米，锯齿高度b与锯齿长度a的比值为0.2-0.5，锯齿基底高度c与锯齿高度b的比值为0.25；基本单元纵向间距d为5-30微米，基本单元横向间距e与锯齿长度a的比值为1；基本单元的凸起高度为30-90微米；有机硅弹性体材料包括加成型有机硅弹性体和缩合型有机硅弹性体。
本实施例中自适应微结构防污减阻材料的具体制备工艺过程为：先采用常规的电子束刻蚀方法制备与自适应微结构相对应的光掩膜，再利用常规的深硅刻蚀方法对单晶硅片进行等离子体刻蚀，控制刻蚀深度为30-90微米，制备得到锯齿形凹陷图案的硅片；然后将锯齿形凹陷图案的单晶硅片用胶带封边后倒入除气的液体硅橡胶，在室温下固化后揭下，制备得到具有自适应微结构的防污减阻材料。
实施例1：
本实施例利用电子束刻蚀制备具有如图2所示图案的光掩膜，其中a＝60μm，b＝24μm，c＝6μm，d＝20μm，e＝60μm)再利用深硅刻蚀方法对单晶硅片进行等离子体刻蚀，调节时间控制刻蚀深度为60微米，制备得到锯齿形凹陷图案的单晶硅片；然后取加成型液体硅橡胶(道康宁Silastic T2)基胶20g、固化剂2g混合均匀，抽真空除气得到除气的液体硅橡胶；将锯齿形凹陷图案的单晶硅片用胶带封边，倒入除气的液体硅橡胶，抽真空至200Pa以下并保持30min后取出，在室温下固化48h后揭下，制备得到具有自适应微结构的防污减阻材料。
实施例2：
本实施例利用电子束刻蚀制备具有如图2所示图案的光掩膜，其中a＝40μm，b＝8μm，c＝2μm，d＝10μm，e＝40μm，再利用深硅刻蚀方法对单晶硅片进行等离子体刻蚀，调节时间控制刻蚀深度为30微米，制备得到锯齿形凹陷图案的单晶硅片；取加成型液体硅橡胶(道康宁Silastic T2)基胶20g、固化剂1g混合均匀，抽真空除气得到除气的液体硅橡胶；将锯齿形凹陷图案的单晶硅片用胶带封边，倒入除气的液体硅橡胶，抽真空至200Pa以下并保持30min后取出，在室温下固化48h后揭下，制备得到具有自适应微结构的防污减阻材料。
实施例3：
本实施例利用电子束刻蚀制备具有图2所示图案的光掩膜，其中a＝10μm，b＝5μm，c＝1.25μm，d＝5μm，e＝10μm)再利用深硅刻蚀方法对单晶硅片进行等离子体刻蚀，调节时间控制刻蚀深度为45微米，制备得到锯齿形凹陷图案的硅片；取加成型液体硅橡胶(道康宁Silastic T2)基胶20g、固化剂2g混合均匀，抽真空除气得到除气的液体硅橡胶；将锯齿形凹陷图案的单晶硅片用胶带封边，倒入除气的液体硅橡胶，抽真空至200Pa以下并保持30min后取出，在室温下固化48h后揭下，制备得到具有自适应微结构的防污减阻材料。
实施例4：
本实施例利用电子束刻蚀制备具有图2所示图案的光掩膜，其中a＝30μm，b＝12μm，c＝3μm，d＝30μm，e＝30μm，再利用深硅刻蚀方法对单晶硅片进行等离子体刻蚀，调节时间控制刻蚀深度为90微米，制备得到锯齿形凹陷图案的硅片；然后取缩合型液体硅橡胶(迈图TSE3663)基胶50g、固化剂1g混合均匀，抽真空除气得到除气的液体硅橡胶；将锯齿形凹陷图案的单晶硅片用胶带封边，倒入除气的液体硅橡胶，抽真空至200Pa以下并保持30min后取出，在室温下固化48h后揭下，制备得到具有自适应微结构的防污减阻材料。
实施例5：微结构防污减阻材料的自适用转换性能测试
本实施例对实施例4制备的具有自适应微结构的防污减阻材料进行硅藻附着测试，以没有微结构的聚二甲基硅氧烷材料为对照，将小型舟形藻用灭菌海水稀释为1×105个/ml的浓度，3小时后硅藻在对照材料附着量为112个/mm2，在实施例,4制备的具有自适应微结构的防污减阻材料表面附着量为31个/mm2，具有较好的防污性能；再将实施例4制备的具有自适应微结构的防污减阻材料放置在流道中，采用激光共聚焦显微镜观察其结构形貌在水流作用下的变化，如图3所示，试验结果显示，在5m/s的水流剪切作用下，具有自适应微结构的防污减阻材料表面形貌由之前的防污阵列结构变化为具有良好减阻性能覆瓦式微沟槽结构，实现了防污微结构向减阻微结构的自适用转换。
Claims (2)
1.一种自适应微结构防污减阻材料，其特征在于所述的具有自适应微结构防污减阻材料为有机硅弹性体材料，其自适应微结构基本单元呈锯齿形，锯齿形基本单元相互间隔交错排布形成阵列状，其中锯齿形基本单元的锯齿长度为10-60微米，锯齿高度与锯齿长度的比值为0.2-0.5，锯齿基底高度与锯齿高度的比值为0.25；锯齿形基本单元的纵向间距为5-30微米，横向间距与锯齿长度的比值为1；锯齿形基本单元的凸起高度为30-90微米；所用有机硅弹性体材料包括加成型有机硅弹性体和缩合型有机硅弹性体。
2.一种如权利要求1所述自适应微结构防污减阻材料的制备方法，其特征在于具体制备工艺过程为：先采用常规的电子束刻蚀方法在单晶硅片上制备与自适应微结构相对应的光掩膜，再利用常规的深硅刻蚀方法对单晶硅片进行等离子体刻蚀，控制刻蚀深度为30-90微米，制备得到锯齿形凹陷图案的单晶硅片；然后将锯齿形凹陷图案的单晶硅片用胶带封边后倒入除气的液体硅橡胶，在室温下固化后揭下液体硅橡胶，即制备得到具有自适应微结构的防污减阻材料。
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