CN105908187B - 仿生超疏水表面、其制备方法及减阻方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种仿生超疏水表面的制备和采用该疏水界面进行水下减阻的方法，将仿生技术与超空泡减阻技术结合，有效提高水下减阻效率，制作成本和维护成本均相对低廉；所采用的原料均无毒无放射作用，不会对环境产生不良作用。
Description
技术领域
本发明涉及水下航行器高速低耗技术领域，尤其涉及一种水下仿生超疏水表面的制备方法及其减阻方法。
背景技术
物体在水中运动过程中所受到阻力的大小是空中飞行器所受阻力的1000倍，航形体与表面相关的摩擦力等表面力作用占据了主导地位，使得系统在运行过程中能耗大、磨损大、寿命短。因此在微尺度下如何减小系统的表面摩擦阻力，引起了人们的关注和重视。以普通船舶为例，船舶在水中航行的摩擦阻力约占全部阻力的50-80％。因此，减小摩擦阻力对水下航行器的提速及能源的节约起到至关重要的作用。
目前，常见的减阻方式包括肋条减阻，壁面振动减阻，疏水/超疏水表面减阻，柔顺壁面减阻，高分子减阻等，然而这些减阻方法对于摩擦阻力降低的效果有限，通常只能获得10-30％的减阻量。且现有水下减阻技术效率低下、成本高，并且减阻技术单一，没有有效的将两种甚至是几种减阻技术结合在一起。因此，加工工艺简单，成本低廉且效果好的减阻手段尚待研发。
超空泡减阻技术是一种新型的水下减阻技术，可以降低水面及水下航形体行进过程中所受到的阻力，使减阻效率达到90％；也可以大幅提高航形体的速度，对解决能源问题、保护环境及提高航形体的性能，都具有很重要的意义。超空泡减阻技术对海战武器的研制具有革命性的意义。
超空泡的形成一般分为三种途径：1)提高航形体的速度；2)降低流场压力；3)在低速情况下，利用人工通气的方法增加空泡内部压力。因此，我们可以通过通入气体，或提高速度来改变超空泡的形态，但这些所需成本高。通过调控运动体表面的浸润性，控制运动体入水过程中超空泡的形态，成为我们新的研究方向。
我们了解，浸润性是受表面微结构和化学组成控制的。因此，我们可以通过控制表面微结构和化学组成，来调控超空泡的形成。自然界中许多生物，都具有一些特殊的性质，比如，荷叶的“自清洁”功能、水黾可以水上行走、水蜘蛛可以水下生活等等。经研究发现，这些生物体的表面均具有粗糙的微纳结构和蜡质层，使其具有特殊性质。我们通过对这些特殊表面的研究，仿照这些生物的表面制备出微纳结构，并对其进行疏水化处理，使其达到生物体的特殊效果。我们对这些仿生表面的性能进行测试，其具有超疏水性。
本发明中，我们将仿生制备的超疏水界面与超空泡技术结合，有效提高水下减阻效率，且制作成本和维护成本均相对低廉；所采用的原料均无毒无放射作用，不会对环境产生不良作用。
发明内容
本发明为解决现有水下减阻技术中减阻率不高、制作和维护成本高，本发明提供一种水下超空泡减阻仿生表面的制备方法，将仿生技术与超空泡减阻技术相结合，有效提高减阻效率，降低成本；且对环境无害。
为解决上述技术问题，本发明提供了一种仿生超疏水表面，在球状体表面修饰疏水的微纳结构。
所述球状体可以为直径为5～20mm的铜球或钢球。
本发明还提供上述水下球体仿生超疏水表面的制备方法，其包括：
第一步，球状体表面的清理；
第二步，腐蚀溶液的制备；
第三步，球状体的腐蚀；
第四步，球状体疏水化处理；
第五步，疏水化球体的吹干，保存备用。
所述第一步进一步具体为先后分别用0.2～2mol/L的氢氧化钠溶液去除球体表面的油渍等、0.2～2mol/L的盐酸溶液清洗掉上一步中球体表面沾染的氢氧化钠溶液、丙酮超声清洗球体表面，后再用无水乙醇进行清洗，最后用去离子水清洗干净，吹干备用。
所述第二步进一步具体为制备腐蚀液，分别配置2～10mol/L的氢氧化钠水溶液和0.2～2mol/L的过硫酸铵的水溶液，并将两种液体按体积比1:1-1:2混合，制备出腐蚀液。
所述第三步进一步具体为将第一步清洗干净的球状体浸泡入第二步制备的氢氧化钠与过硫酸铵的混合溶液中进行腐蚀，腐蚀时间约为5～10min，后用去离子水清洗表面腐蚀液，再浸泡在无水乙醇中备用，获得仿生减阻微纳米结构表面。
所述第四步进一步具体为采用硫醇的乙醇溶液浸泡的方法对第三步疏水后的球体进行疏水化处理。
所述第四步进一步具体包括以下步骤，
第a步，硫醇的乙醇溶液的制备，称取0～0.04mg的硫醇固体溶于约100mL的无水乙醇溶液中，制备硫醇的乙醇溶液；
第b步，将第三步处理后的球体，完全浸泡于第a步中的溶液中，浸泡24～36h；
第c步，取出，吹干，备用。
本发明还提供采用上述制备的仿生超疏水表面进行减阻的方法，包括：
第一步，将上述制备的仿生超疏水球体与具有微纳结构的超亲水球体，同时入水；
第二步，利用高速摄像机记录两种球体的入水过程；
第三步，再以没有仿生界面的球体作为对照试验，进行记录；
第四步，比较上述各种球体，入水过程，观察仅有仿生超疏水球体入水时，产生超空泡效应。
本发明的有益效果:
本发明提供一种水下仿生超疏水表面及采用该表面的减阻方法，将仿生技术与超空泡减阻技术结合，有效提高水下减阻效率，制作成本和维护成本均相对低廉；所采用的原料均无毒无放射作用，不会对环境产生不良作用。
附图说明
图1修饰铜球和其表面的电镜图；(a)疏水处理后的铜球的照片；(b)修饰铜球的表面无序的排列着微米线；(c)进一步放大(b)中的某一部分；
图2实验反应简易装置结构图；
图3球体入水过程中，气液界面的变化图；
图4球体落水过程中，超空泡的形成图。
具体实施方式
本发明提供了一种将仿生超疏水表面应用于超空泡减阻的方法，在球状体表面修饰疏水的微纳米结构，制备成仿生超疏水表面，通过入水产生超空泡效应，测试其减阻效果。
所述疏水表面修饰微纳米结构，可以采用一次浸泡法，还可以采用等离子体处理法、刻蚀法、电化学法等。
所述球状体可以为铜球或钢球。
本发明提供的制备上述仿生超疏水表面的制备方法，其采用上述的一次浸泡法制备具有微纳结构的仿生超疏水表面，具体包括：
第一步，球状体表面的清理；
第二步，腐蚀溶液的制备；
第三步，球状体的腐蚀；
第四步，球状体疏水化处理；
第五步，疏水化球体的吹干，保存备用。
所述第一步进一步具体为先后分别用0.2～2mol/L的氢氧化钠溶液去除球体表面的油渍等、0.2～2mol/L的盐酸溶液清洗掉上一步中球体表面沾染的氢氧化钠溶液、丙酮超声清洗球体表面，后再用无水乙醇清洗，最后用去离子水清洗干净，吹干备用。
所述第二步进一步具体为制备腐蚀液，分别配置2～10mol/L的氢氧化钠水溶液和0.2～2mol/L的过硫酸铵的水溶液，并将两种液体按体积比1:1-1:2混合，制备出腐蚀液。
所述第三步进一步具体为将第一步清洗干净的球状体浸泡入第二步制备的氢氧化钠与过硫酸铵的混合溶液中进行腐蚀，腐蚀时间约为5～10min，后用去离子水清洗表面腐蚀液，再浸泡在无水乙醇中备用，获得仿生减阻微纳米结构表面。
所述第四步进一步具体为采用硫醇的乙醇溶液浸泡的方法对第三步疏水后的球体进行疏水化处理。
所述第四步进一步具体包括以下步骤，
第a步，硫醇的乙醇溶液的制备，称取0～0.04mg的硫醇固体溶于约100mL的无水乙醇溶液中，制备硫醇的乙醇溶液；
第b步，将第三步处理后的球体，完全浸泡于第a步中的溶液中，浸泡24～36h；
第c步，取出，吹干，备用。
本发明还提供所述仿生超疏水表面在水下超空泡减阻过程中的应用。
本发明还提供采用上述制备的仿生超疏水表面进行减阻的方法，包括：
第一步，将上述制备的仿生超疏水球体与具有微纳结构的超亲水球体，同时入水；
第二步，利用高速摄像机记录两种球体的入水过程；
第三步，再以没有仿生界面的球体作为对照试验，进行记录；
第四步，比较上述各种球体，入水过程，观察仅有仿生超疏水球体入水时，产生超空泡效应。
本发明减阻的原理主要是：通过球体表面的仿生微纳米结构，超疏水的球体入水后，由于球体表面的疏水性，球体表面会诱捕气层，在球体与水表面形成气层，从而产生超空泡现象。而对于超亲水球体，由于表面无疏水性，液体与球体完全接触，故无气层诱捕，不能产生超空泡现象；同样，对于光滑的球体表面，由于球体表面无微纳米结构，而无法诱捕气层，超空泡同样无法形成。且超空泡的存在，使球体表面与液体隔离，固体与气层间的摩擦阻力大大小于固体与液体间的阻力，从而降低固体壁面与流体之间的剪切，降低了流体对航行体的阻力，提高球体运动的速度。
以下采用实施例来详细说明本发明的实施方式，借此对本发明如何应用技术手段来解决技术问题，并达成技术效果的实现过程能充分理解并据以实施。
实施例1仿生减阻微纳米结构表面
将铜球先后分别用氢氧化钠溶液、盐酸溶液、丙酮超声清洗球体表面，后再用乙醇清洗，最后用去离子水清洗干净，吹干备用，氢氧化钠与过硫酸铵的混合溶液作为腐蚀溶液，1L腐蚀溶液中氢氧化钠的物质的量为3mol，过硫酸铵的物质的量为0.5mol，将清洗干净的铜球浸泡入制备的氢氧化钠与过硫酸铵的混合溶液中进行腐蚀，腐蚀时间为10min，后用去离子水清洗表面腐蚀液，再浸泡在乙醇中备用，获得仿生减阻微纳米结构表面，采用硫醇的乙醇溶液浸泡、氟硅烷沉积等方法对第三步疏水后的铜球进行疏水化处理，获得仿生减阻微纳米结构表面。
仿生减阻微纳米结构表面的铜球表面电镜图(扫描电子显微镜，Quanta 250FEG，捷克FEI公司)如图1所示，我们观测到微米线的结构，其长度约为1μm。
将实施例1制备的具有仿生减阻微纳米结构表面的光滑球体，利用图2的实验装置，进行超空泡实验的检测。所使用的高速摄影机1采用美国约克公司的Phantom V9.1，摄像机对准量筒中液面的位置，可以记录小球入水过程。采用高速CCD记录球体入水的状态，且采用卤素灯2为拍摄过程增强亮度。
图3为球体入水过程中，气液界面的变化。利用图2中的简易装置进行试验，观察入水气液界面的变化。只有(b)中具有空泡的形成、发展、闭合及溃灭过程，而其他三种球体入水均无超空泡形成。图4为球体落水过程中，超空泡的形成图。描述了球体从接触水面到进入水下，空泡的形成、发展、闭合及溃灭的过程。
所有上述的首要实施这一知识产权，并没有设定限制其他形式的实施这种新产品和/或新方法。本领域技术人员将利用这一重要信息，上述内容修改，以实现类似的执行情况。但是，所有修改或改造基于本发明新产品属于保留的权利。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非是对本发明作其它形式的限制，任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更或改型为等同变化的等效实施例。但是凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与改型，仍属于本发明技术方案的保护范围。
Claims (7)
1.一种将球状体仿生超疏水表面应用于超空泡减阻的方法，其特征在于，在球状体表面修饰疏水的微纳米结构，制备成仿生超疏水表面，通过入水产生超空泡效应，测试其减阻效果，其中，
所述球状体表面修饰疏水的微纳米结构采用一次浸泡法、等离子体处理法、刻蚀法或电化学法制备，得到仿生超疏水球体；仿生减阻微纳米结构表面的铜球表面具有微米线的结构，其长度为1μm；仿生超疏水球体入水时，产生超空泡效应，球体从接触水面到进入水下，经过空泡的形成、发展、闭合及溃灭的过程。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述一次浸泡法，包括如下步骤：
第一步，球状体表面的清理；
第二步，腐蚀溶液的制备；
第三步，球状体的腐蚀；
第四步，球状体疏水化处理；
第五步，疏水化球体的吹干，保存备用。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于：所述第一步球状体表面的清理为先后分别用0.2～2mol/L氢氧化钠的溶液、0.2～2mol/L盐酸的溶液、丙酮超声清洗球体表面，后再用无水乙醇清洗，最后用去离子水清洗干净，吹干备用。
4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于：所述第二步腐蚀溶液的制备为分别配置2～10mol/L的氢氧化钠水溶液和0.2～2mol/L的过硫酸铵的水溶液，并将两种液体按一定的比例混合，制备出腐蚀液。
5.根据权利要求2所述的方法，其特征在于：所述第三步球状体的腐蚀为将第一步清洗干净的球状体浸泡入第二步制备的氢氧化钠与过硫酸铵的混合溶液中进行腐蚀，腐蚀时间为5～10min，后用去离子水清洗表面腐蚀液，再浸泡在无水乙醇中备用。
6.根据权利要求2所述的方法，其特征在于：所述第四步球状体疏水化处理为采用硫醇的乙醇溶液浸泡的方法对第三步腐蚀后的球状体进行疏水化处理。
7.根据权利要求 6所述的方法，其特征在于：所述第四步进一步具体包括以下步骤，
第a步，硫醇的乙醇溶液的制备，称取0～0.04mg的硫醇固体溶于100mL的无水乙醇溶液中，制备硫醇的乙醇溶液；
第b步，将第三步处理后的球状体，完全浸泡于第a步中的溶液中，浸泡24～36h；
第c步，取出，吹干，备用。
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