CN106675397B - 磁控表面减阻材料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种磁控表面减阻材料及其制备方法，包括磁性颗粒、聚合物基体以及固化剂，所述磁性颗粒经疏水性处理后均匀散布于聚合物基体，并通过加入固化剂涂敷成膜，固化后形成可在磁场作用下改变表面粗糙度或具备特定表面粗糙度的磁控表面减阻材料。本发明具有优良的减阻性能和自适应性，可根据表面减阻对象的不同工况，实现智能表面减阻或磁体更换表面减阻或特定工况表面减阻方案，进而提高减阻对象的使用性能。

Description

磁控表面减阻材料及其制备方法
技术领域
本发明涉及表面减阻材料合成领域，特别涉及一种磁控表面减阻材料及其制备方法。
背景技术
船舶在运动过程中，由于表面摩擦产生的阻力约为总阻力的70～80％，现代民用飞机在飞行时，表面的摩擦阻力几乎占总阻力的一半，而在管道运输中，80％以上的能耗在表面摩擦阻力上，因此，减小运动物体的表面摩擦阻力是非常必要的，设计和制备具有减少摩擦阻力的功能性表面材料无疑是实现这一目的的重要途径之一。
传统的减阻方式大多是通过采用更光滑的表面，以降低绝对粗糙度，但由于技术水平的限制，对某些减阻对象表面光滑度的提高是有限度的，如提高管道内表面的光滑度就受到极大限制；与此同时，人们发现生活在深海里的鲨鱼，虽然其皮肤像砂纸一样粗糙，但却能够以人们想象不到的速度快速游动，这一现象表明：以减小表面粗糙度来减少表面阻力的方法是存在问题的。并且通过更进一步的观察，如植物中的荷叶出淤泥而不染，动物中的鲸鱼虽然体形巨大，却能在海洋中自由遨游，蚯蚓能够在土壤中运动自如，身体不粘土；可以发现它们的共同特征是表面并不光滑，而是具有各自的微纳米结构，从而表现出优异的减阻和抗粘附性能，因此，非光滑表面仿生学成为一个热门的研究领域。
基于仿生学的启发，人们为了实现表面减阻，在各类需要表面减阻的场合，如轮船的船体表面、飞机的机翼等外表面、汽车的外表面尤其是尾部表面以及各类叶轮动力机械的叶片等，设计开发了大量的表面减阻方法，如脊状表面减阻方法、沟槽表面减阻方法、微气泡减阻方法、疏水/超疏水减阻方法、柔顺避免减阻方法、避免振动减阻方法、汽车尾部表面凹坑减阻方法等。由于现有的仿生学减阻材料均是直接利用模具制作出类似于动植物表面结构的材料，虽然具有复杂的表面结构，但与生物体的微纳米结构相比具有巨大差距，无明显优势，且由于模具无法完全呈现材料的结构特征，制造过程材料脱模困难，所得材料减阻性能不高。
为了克服以上问题，目前也有少数研究采用蚯蚓等的提取液，制备非光滑表面减阻液体材料。然而，无论是结构性的减阻方案还是液体减阻材料，均不具备自适应性，难以根据实际情况调整减阻表面特性，无法满足减阻对象复杂的运行工况。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种磁控表面减阻材料及其制备方法，具有优良的减阻性能和自适应性，可根据表面减阻对象的不同工况，实现智能表面减阻或磁体更换表面减阻或特定工况表面减阻方案，进而提高减阻对象的使用性能。
本发明的磁控表面减阻材料，包括磁性颗粒、聚合物基体以及固化剂，所述磁性颗粒经疏水性处理后均匀散布于聚合物基体，并通过加入固化剂涂敷成膜，固化后形成可在磁场作用下改变表面粗糙度或具备特定表面粗糙度的磁控表面减阻材料。
进一步，所述磁性颗粒与聚合物基体之间按重量百分比比例为60-80％，固化剂与聚合物基体之间按重量百分比比例为0.5-1％。
进一步，所述磁性颗粒为软磁颗粒，所述软磁颗粒经疏水性处理后均匀散布于聚合物基体，并通过加入固化剂，在无磁场条件下涂敷成膜，固化后形成可在磁场作用下改变表面粗糙度的磁控表面减阻材料。
进一步，所述软磁颗粒采用粒径为15-30微米的顺磁性颗粒，该软磁颗粒为羰基铁粉、镍粉、铁硅铝中的一种。
进一步，所述磁性颗粒为硬磁颗粒，所述硬磁颗粒经疏水性处理后均匀散布于聚合物基体，并通过加入固化剂后涂敷成膜并在磁场条件下固化，形成具备特定表面粗糙度的预结构化的磁控表面减阻材料。
进一步，所述硬磁颗粒为钕铁硼、铁铬钴、铝镍钴、钐钴中的一种。
进一步，所述聚合物基体为聚二甲基硅氧烷或硅橡胶。
本发明还公开了一种磁控表面减阻材料的制备方法，包括以下步骤：
a.制备合适粒径的磁性颗粒；
b.用全氟癸基三乙氧基硅烷制备己烷溶液，该己烷溶液中全氟癸基三乙氧基硅烷的浓度为10mmol；
c.将步骤a中的磁性颗粒置于全氟癸基三乙氧基硅烷的己烷溶液中，并搅拌均匀，培养2小时，对磁性颗粒进行疏水性处理；
d.将步骤c中经疏水性处理后的磁性颗粒用己烷洗净，在70℃条件下干燥；
e.将步骤d中的磁性颗粒与聚合物基体混合并搅拌均匀，磁性颗粒与聚合物基体之间按重量百分比比例为60-80％；
f.将固化剂加入步骤e中磁性颗粒与聚合物基体的混合物中，涂敷成膜，固化后形成可在磁场作用下改变表面粗糙度或具备特定表面粗糙度的磁控表面减阻材料。
进一步，步骤a中的磁性颗粒为软磁颗粒，步骤f中的固化剂加入软磁颗粒与聚合物基体的混合物中，在无磁场条件下涂敷成膜，固化后形成可在磁场作用下改变表面粗糙度的磁控表面减阻材料。
进一步，步骤a中的磁性颗粒为硬磁颗粒，步骤f中的固化剂加入硬磁颗粒与聚合物基体的混合物中，加入固化剂后涂敷成膜并在磁场条件下固化，形成具备特定表面粗糙度的预结构化的磁控表面减阻材料。
本发明的有益效果：本发明的磁控表面减阻材料及其制备方法，当磁性颗粒为软磁颗粒时，该软磁颗粒经疏水性处理后均匀散布于聚合物基体，并通过加入固化剂，在无磁场条件下涂敷成膜，固化后形成可在磁场作用下改变表面粗糙度的磁控表面减阻材料，使其能够应用于智能表面减阻或磁体更换表面减阻方案；当磁性颗粒为硬磁颗粒时，该硬磁颗粒经疏水性处理后均匀散布于聚合物基体，并通过加入固化剂后涂敷成膜并在磁场条件下固化，形成具备特定表面粗糙度的预结构化的磁控表面减阻材料，使其能够应用于特定工况表面减阻方案；因此，本发明具有优良的减阻性能和自适应性，可根据表面减阻对象的不同工况，实现智能表面减阻或磁体更换表面减阻或特定工况表面减阻方案，进而提高减阻对象的使用性能。
具体实施方式
本实施例的磁控表面减阻材料，包括磁性颗粒、聚合物基体以及固化剂，所述磁性颗粒经疏水性处理后均匀散布于聚合物基体，并通过加入固化剂涂敷成膜，固化后形成可在磁场作用下改变表面粗糙度或具备特定表面粗糙度的磁控表面减阻材料，使其可应用于减阻对象的表面减阻。
本实施例中，所述磁性颗粒与聚合物基体之间按重量百分比比例为60-80％，磁性颗粒与聚合物基体之间的比例按照重量百分比进行控制，根据所需要的表面减阻效应确定具体比例，磁性颗粒比例越大，在磁场作用下表面粗糙度改变越大，本实施例的磁性颗粒与聚合物基体之间按重量百分比比例为80％，可在磁场作用下表面粗糙度改变达到最大化，具有更加优异的减阻性能和自适应性；当然磁性颗粒与聚合物基体之间按重量百分比比例也可为70％，在磁场作用下表面粗糙度改变较为次之，减阻性能和自适应性也较为次之；磁性颗粒与聚合物基体之间按重量百分比比例还可为60％，在磁场作用下表面粗糙度改变更为次之，减阻性能和自适应性也更为次之；固化剂与聚合物基体之间按重量百分比比例为0.5-1％，两者之间的比例可根据实际需要进行调整，固化剂比例越高，所得磁控表面减阻材料硬度越高，表面粗糙度改变越困难，本实施例的固化剂与聚合物基体之间按重量百分比比例为0.5％时，所得磁控表面减阻材料硬度相对最低，但表面粗糙度改变相对最容易；固化剂与聚合物基体之间按重量百分比比例为1％时，所得磁控表面减阻材料硬度相对最高，但表面粗糙度改变相对最困难，从而使其能够适应于不同减阻对象的表面减阻，提高自适应能力。
本实施例中，所述磁性颗粒可为软磁颗粒，所述软磁颗粒经疏水性处理后均匀散布于聚合物基体，并通过加入固化剂，在无磁场条件下涂敷成膜，固化后形成可在磁场作用下改变表面粗糙度的磁控表面减阻材料，可用于智能表面减阻或者磁体更换表面减阻方案，并且在固化过程中可根据实际情况进行加热以改变磁控表面减阻材料硬度，以提高减阻性能。
本实施例中，所述软磁颗粒采用粒径为15-30微米的顺磁性颗粒，该软磁颗粒为羰基铁粉、镍粉、铁硅铝中的一种，具有低矫顽力和高磁导率，且易于磁化和退磁。
本实施例中，所述磁性颗粒也可为硬磁颗粒，所述硬磁颗粒经疏水性处理后均匀散布于聚合物基体，并通过加入固化剂后涂敷成膜并在磁场条件下固化，形成具备特定表面粗糙度的预结构化的磁控表面减阻材料，可用于工作状态较为稳定单一的表面减阻对象，实现特定工况表面减阻方案，在固化过程中可根据实际情况进行加热以改变磁控表面减阻材料硬度，以提高减阻性能。
本实施例中，所述硬磁颗粒为钕铁硼、铁铬钴、铝镍钴、钐钴中的一种，具有高矫顽力、高稳定性，性能好，成本低等优点。
本实施例中，所述聚合物基体为聚二甲基硅氧烷或硅橡胶，用于固结分散的磁性颗粒以形成复合材料整体。
本发明还公开了一种磁控表面减阻材料的制备方法，包括以下步骤：
a.制备合适粒径的磁性颗粒；
b.用全氟癸基三乙氧基硅烷制备己烷溶液，该己烷溶液中全氟癸基三乙氧基硅烷的浓度为10mmol；
c.将步骤a中的磁性颗粒置于全氟癸基三乙氧基硅烷的己烷溶液中，并搅拌均匀，培养2小时，对磁性颗粒进行疏水性处理；
d.将步骤c中经疏水性处理后的磁性颗粒用己烷洗净，在70℃条件下干燥；
e.将步骤d中的磁性颗粒与聚合物基体混合并搅拌均匀，磁性颗粒与聚合物基体之间按重量百分比的比例为60-80％；
f.将固化剂加入步骤e中磁性颗粒与聚合物基体的混合物中，涂敷成膜，固化后形成可在磁场作用下改变表面粗糙度或具备特定表面粗糙度的磁控表面减阻材料。根据表面具体形态可以采取多种涂敷方式，如旋涂法、刮板法等，磁控表面减阻材料的膜厚为150微米左右，且在涂敷前需要对基体进行清洁等适应性处理，从而可根据表面减阻对象的不同工况，实现智能表面减阻或磁体更换表面减阻或特定工况表面减阻方案，进而提高减阻对象的使用性能。本实施例的固化剂与聚合物基体之间按重量百分比比例为0.5-1％。
本实施例中，步骤f中的固化剂加入软磁颗粒与聚合物基体的混合物中，在无磁场条件下涂敷成膜，固化后形成可在磁场作用下改变表面粗糙度的磁控表面减阻材料，可用于智能表面减阻或者磁体更换表面减阻方案，使用时该磁控表面减阻材料涂敷于减阻对象表面，常温固化。
本实施例中，步骤a中的磁性颗粒为硬磁颗粒，步骤f中的固化剂加入硬磁颗粒与聚合物基体的混合物中，加入固化剂后涂敷成膜并在磁场条件下固化，形成具备特定表面粗糙度的预结构化的磁控表面减阻材料，可用于工作状态较为稳定单一的表面减阻对象，实现特定工况表面减阻方案，使用时该磁控表面减阻材料涂敷于减阻对象的表面，在特定磁场和温度条件下固化，磁场强度取决于具体的减阻对象工况。
本发明使用时：
当应用于智能表面减阻方案时，智能减阻实施对象可以是飞机、轮船、汽车、管道、动力机械等各类需要实施表面减阻的对象。以飞机为例，采用软磁颗粒制作的磁控表面减阻材料，磁控表面减阻材料涂敷在飞机表面上，飞机上设置有运行参数传感器、ECU、作动器、表面型传感器(如表面压力传感器等)，运行参数传感器为多个，用于提供飞行速度、飞行攻角、飞行环境(压力、温度)等各类智能控制所需的参数信息的，ECU基于系统运行参数和反馈参数等决定需要施加的磁场强度，以实现智能表面减阻方案，作动器一般为磁场发生器，用于提供智能表面减阻需要的可控磁场，通过磁场发生器产生磁场，实时改变磁控表面减阻材料的表观形貌，从而减小运行阻力；当运行阻力减小后，通过表面型传感器感知这种阻力变化，并将信号反馈到ECU，并通过ECU进行决策。
当应用于磁体更换表面减阻方案时，对于一些在若干个状态稳定运行的表面减阻对象，如部分动力机械中的叶轮或转子等，它们可能在若干个不同转速条件下运行，但每个转速条件相对稳定，此时可以采用磁体更换表面减阻方案。采用软磁颗粒制作的磁控表面减阻材料，磁控表面减阻材料涂敷于基体(基体采用厚度较小的PET或者金属箔)上，磁控表面减阻材料可采用旋涂、刮涂等方法涂覆在基体上，基体上涂覆好磁控表面减阻材料后，采用胶粘等方式与软胶磁体复合在一起形成复合体，从而使减阻对象在不同的稳定工况之间切换而需要不同的减阻材料参数，以达到不同的减阻效果时，可以更换不同磁场强度的软胶磁体，并将复合体布置于需要进行减阻的表面。
当应用于特定工况表面减阻方案时，在石油、天然气管道输运等应用场合，由于管道内输运介质流量稳定，运行工况稳定，表面减阻仅需考虑特定工况，针对磁控表面减阻材料提供额外磁场的方案将没有经济性和实用性。为此，采用硬磁颗粒制作的磁控表面减阻材料，并在磁场条件下固化以形成预结构化的磁控表面减阻材料，根据管道运行工况确定所需的减阻材料表面参数后，可以调节固化磁场强度，以实现与运行工况相匹配的磁控表面微结构，称为特定工况表面减阻方案，如在对输运管道经合适的内壁表面处理后，直接在管道内壁涂敷磁控表面减阻材料后在磁场条件下固化即可，经济性好，实用性强。
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的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宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (8)

1.一种磁控表面减阻材料，其特征在于：包括磁性颗粒、聚合物基体以及固化剂，所述磁性颗粒经疏水性处理后均匀散布于聚合物基体，并通过加入固化剂涂敷成膜，固化后形成可在磁场作用下改变表面粗糙度或具备特定表面粗糙度的磁控表面减阻材料；所述磁性颗粒与聚合物基体之间按重量百分比比例为60-80％，固化剂与聚合物基体之间按重量百分比比例为0.5-1％；所述聚合物基体为聚二甲基硅氧烷或硅橡胶。
2.根据权利要求1所述的磁控表面减阻材料，其特征在于：所述磁性颗粒为软磁颗粒，所述软磁颗粒经疏水性处理后均匀散布于聚合物基体，并通过加入固化剂，在无磁场条件下涂敷成膜，固化后形成可在磁场作用下改变表面粗糙度的磁控表面减阻材料。
3.根据权利要求2所述的磁控表面减阻材料，其特征在于：所述软磁颗粒采用粒径为15-30微米的顺磁性颗粒，该软磁颗粒为羰基铁粉、镍粉、铁硅铝中的一种。
4.根据权利要求1所述的磁控表面减阻材料，其特征在于：所述磁性颗粒为硬磁颗粒，所述硬磁颗粒经疏水性处理后均匀散布于聚合物基体，并通过加入固化剂后涂敷成膜并在磁场条件下固化，形成具备特定表面粗糙度的预结构化的磁控表面减阻材料。
5.根据权利要求4所述的磁控表面减阻材料，其特征在于：所述硬磁颗粒为钕铁硼、铁铬钴、铝镍钴、钐钴中的一种。
6.一种磁控表面减阻材料的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：
a.制备合适粒径的磁性颗粒；
b.用全氟癸基三乙氧基硅烷制备己烷溶液，该己烷溶液中全氟癸基三乙氧基硅烷的浓度为10mmol；
c.将步骤a中的磁性颗粒置于全氟癸基三乙氧基硅烷的己烷溶液中，并搅拌均匀，培养2小时，对磁性颗粒进行疏水性处理；
d.将步骤c中经疏水性处理后的磁性颗粒用己烷洗净，在70℃条件下干燥；
e.将步骤d中的磁性颗粒与聚合物基体混合并搅拌均匀，磁性颗粒与聚合物基体之间按重量百分比比例为60-80％；
f.将固化剂加入步骤e中磁性颗粒与聚合物基体的混合物中，涂敷成膜，固化后形成可在磁场作用下改变表面粗糙度或具备特定表面粗糙度的磁控表面减阻材料。
7.根据权利要求6所述的磁控表面减阻材料的制备方法，其特征在于：步骤a中的磁性颗粒为软磁颗粒，步骤f中的固化剂加入软磁颗粒与聚合物基体的混合物中，在无磁场条件下涂敷成膜，固化后形成可在磁场作用下改变表面粗糙度的磁控表面减阻材料。
8.根据权利要求6所述的磁控表面减阻材料的制备方法，其特征在于：步骤a中的磁性颗粒为硬磁颗粒，步骤f中的固化剂加入硬磁颗粒与聚合物基体的混合物中，加入固化剂后涂敷成膜并在磁场条件下固化，形成具备特定表面粗糙度的预结构化的磁控表面减阻材料。
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