CN106906466B - 一种基于冷喷涂的减阻涂层 - Google Patents

一种基于冷喷涂的减阻涂层 Download PDF

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Abstract

本申请涉及一种基于冷喷涂的减阻涂层，该减阻涂层包括目标基底表面上的凹坑结构层和在凹坑结构层之上的疏水层，该疏水层是利用冷喷涂技术将疏水混合粒子喷涂到所述凹坑结构层表面形成的。

Description

一种基于冷喷涂的减阻涂层
技术领域
本申请涉及水下减阻涂层领域，尤其涉及一种基于冷喷涂的减阻涂层。
背景技术
水面舰艇或者水下航行器在航行过程中，会受到来自水的阻力，如果在其表面设有减阻涂层，降低阻力时可以减少航行消耗的能量，同时也可大幅提高航行的速度，对于解决能源问题、环境保护都有着重要意义。
针对目前水下的减阻技术，主要包括柔顺壁面减阻、疏水表面减阻、肋条减阻、随行波表面减阻等。其中，对于疏水表面减阻，主要是在疏水表面形成微纳粗糙结构，提高静态接触角，由于超疏水表面能够有效减少固体表面与液体之间的直接接触，同时能够在固体表面与液体之间形成一层空气膜，可以大大降低液体对于固体的运动阻力，特备是应用于水下物体时，能够有效降低液体的阻力。
目前，疏水表面的制备受限于传统加工手段，仍然存在改进的条件。目前，冷喷涂技术得到了广泛应用，比如在材料表面改性、纳米材料、生物功能材料等领域均有应用，注意到，专利申请CN104099608A中，利用冷喷涂技术制备了一种成份稳定、结合良好的Cu-Ag-Zn可磨耗封严涂层。
具体到超疏水材料结合冷喷涂技术，利用冷喷涂过程中对超疏水粒子无氧化、对超疏水粒子结构无影响的特点，可以保证原始的超疏水粉末的物理化学性质不改变，并且沉积速率高，操作简单，适合工业化应用。
发明内容
本发明旨在提供一种基于冷喷涂的减阻涂层，以解决上述提出问题。
本发明的实施例中提供了一种基于冷喷涂的减阻涂层，该减阻涂层包括目标基底表面上的凹坑结构层和在凹坑结构层之上的疏水层；该疏水层是利用冷喷涂技术将疏水混合粒子喷涂到所述凹坑结构层表面形成的。
本发明的实施例提供的技术方案可以包括以下有益效果：
本发明的减阻涂层包括目标基底表面上的凹坑结构层和在凹坑结构层之上冷喷涂的疏水层，该疏水层是冷喷涂疏水混合粒子得到的，在疏水混合粒子中，包含有氧化锌微球、氧化铝微球、低熔点合金粒子；利用冷喷涂技术，其对疏水混合粒子不会产生氧化作用，并且喷涂过程对粒子结构影响较小，能够保证粒子的物理化学性质不发生改变；低熔点合金的加入，能够使得氧化锌微球、氧化铝微球、基底形成更紧密的结合，增大减阻涂层的耐磨性能。
本申请附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本申请的实践了解到。应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，并不能限制本申请。
附图说明
利用附图对本发明作进一步说明，但附图中的实施例不构成对本发明的任何限制，对于本领域的普通技术人员，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据以下附图获得其它的附图。
图1是本发明减阻涂层的制备方法流程图。
具体实施方式
这里将详细地对示例性实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本发明相一致的所有实施方式。相反，它们仅是与如所附权利要求书中所详述的、本发明的一些方面相一致的装置和方法的例子。
在水下、水面减阻领域，对于疏水表面减阻，主要是在疏水表面形成微纳粗糙结构，利用该微纳粗糙结构直接作为疏水层。
本申请的技术方案涉及一种基于冷喷涂的减阻涂层，该减阻涂层是利用冷喷涂技术将疏水混合粒子喷涂到目标基底表面形成的。
利用冷喷涂技术，其对疏水混合粒子不会产生氧化作用，并且喷涂过程对粒子结构影响较小，能够保证粒子的物理化学性质不发生改变。
在冷喷涂之前，对于目标基底，需要先对其进行酸化和等离子体腐蚀处理，以便在目标基底表面制备出微米尺度的凹坑结构，然后在该凹坑结构表面冷喷涂疏水层，使其能够增强疏水层的粗糙度，对于疏水效果产生积极影响；因此，该减阻涂层包括目标基底表面上的凹坑结构层和在凹坑结构层之上冷喷涂的疏水层。
优选地，该凹坑结构层中凹坑的尺度为300～500微米；该疏水层的厚度为200微米。
在该疏水层中，其是冷喷涂疏水混合粒子得到的，所述的疏水混合粒子为氧化锌微球、氧化铝微球和低熔点合金粒子的混合物，该低熔点合金为含有锡、铋、铅、镉的合金，其熔点低于250℃。
氧化锌微球一般具有荧光性、压电性、吸收散射紫外光能力等，氧化锌微球的应用一般在光、电、磁、气体敏感等方面较多；氧化铝微球硬度大，一般作为磨料、抛光粉，高温下较稳定，也可作为高温耐火材料；氧化锌微球和氧化铝微球本身并不具备疏水性能，而本申请中利用氧化锌微球、氧化铝微球和低熔点合金粒子构成了一种适合于冷喷涂的疏水混合粒子，使用该混合粒子得到的疏水层不但具有疏水效果，同时具备良好的结合性能。
在冷喷涂过程中，由于粒子的速度很大，在粒子高速撞击到凹坑结构表面时，疏水混合粒子，特别是低熔点合金粒子在冷喷涂施加的作用力下，能够在凹坑结构表面发生塑性变形，增加疏水层与凹坑结构的结合作用；此外，在冷喷涂过后，将基底进行一定时间的热处理，在该过程中，低熔点合金粒子会熔化，从而与氧化锌微球、氧化铝微球、基底形成更紧密的结合，增大该疏水层的耐磨性能。
优选地，上述的疏水混合粒子中，该氧化锌微球的粒径为10微米，氧化铝微球的粒径为15微米；该低熔点合金粒子包括两种粒径，低熔点合金粒子一的粒径为3微米，低熔点合金粒子二的粒径为5微米。
优选地，上述的疏水混合粒子中，各种粒子的重量百分比含量为：氧化锌微球25～45％，氧化铝微球15～35％，低熔点合金一20～30％，低熔点合金二15～25％。
优选地，上述的疏水混合粒子在冷喷涂之前经过了低表面能物质修饰，修饰过程为：将氧化锌微球、氧化铝微球和低熔点合金粒子混合均匀，然后将混合粒子加入到乙醇中至百分比溶度为6％，然后在该溶液中加入7％的聚四氟乙烯，搅拌均匀。
冷喷涂该疏水层之后，需要将目标基底进行280℃下保温处理8h，此时，低熔点合金完全熔化，其与凹坑结构、氧化锌微球、氧化铝微球充分结合。
实施例1
如图1，根据上述的减阻涂层，其制备过程为：
S1，腐蚀凹坑结构层：对目标基底进行酸化和等离子体腐蚀处理，在其表面制备出微米尺度的凹坑结构层，该凹坑结构层中凹坑的尺寸为300微米；
S2，修饰疏水混合粒子：采用低表面能物质修饰疏水混合粒子；其中，疏水混合粒子中各种粒子的粒径分别为：氧化锌微球10微米，氧化铝微球15微米；低熔点合金粒子一3微米，低熔点合金粒子二5微米；各种粒子的重量百分比含量为：氧化锌微球35％，氧化铝微球20％，低熔点合金一25％，低熔点合金二20％。
S3，冷喷涂疏水混合粒子：在凹坑结构层上冷喷涂经过低表面能物质修饰的疏水混合粒子；控制喷涂的工艺参数为：工作气体为N2，预热温度为400℃，压力为3.5MPa，喷涂距离为10mm，粒子速度为1000～1200m/s，喷枪移动速度为150～200mm/s，得到疏水层的厚度为200微米；
S4，保温处理：在冷喷涂疏水混合粒子后，将目标基底放入保温炉中，在280℃下保温8h，待低熔点合金熔化后与与凹坑结构、氧化锌微球、氧化铝微球充分结合，取出，自然降温。
本实施例得到的减阻涂层中，其接触角为171度，具有良好的减阻效果，同时各物质之间结合紧密，耐磨性好，使用寿命长。
实施例2
根据上述的减阻涂层，其制备过程为：
S1，腐蚀凹坑结构层：对目标基底进行酸化和等离子体腐蚀处理，在其表面制备出微米尺度的凹坑结构层，该凹坑结构层中凹坑的尺寸为400微米；
S2，修饰疏水混合粒子：采用低表面能物质修饰疏水混合粒子；其中，疏水混合粒子中各种粒子的粒径分别为：氧化锌微球15微米，氧化铝微球10微米；低熔点合金粒子一3微米，低熔点合金粒子二5微米；各种粒子的重量百分比含量为：氧化锌微球40％，氧化铝微球25％，低熔点合金一20％，低熔点合金二15％。
S3，冷喷涂疏水混合粒子：在凹坑结构层上冷喷涂经过低表面能物质修饰的疏水混合粒子；控制喷涂的工艺参数为：工作气体为N2，预热温度为400℃，压力为3.5MPa，喷涂距离为10mm，粒子速度为1000～1200m/s，喷枪移动速度为150～200mm/s，得到疏水层的厚度为200微米；
S4，保温处理：在冷喷涂疏水混合粒子后，将目标基底放入保温炉中，在280℃下保温8h，待低熔点合金熔化后与与凹坑结构、氧化锌微球、氧化铝微球充分结合，取出，自然降温。
本实施例得到的减阻涂层中，其接触角为169度，具有良好的减阻效果，同时各物质之间结合紧密，耐磨性好，使用寿命长。
实施例3
根据上述的减阻涂层，其制备过程为：
S1，腐蚀凹坑结构层：对目标基底进行酸化和等离子体腐蚀处理，在其表面制备出微米尺度的凹坑结构层，该凹坑结构层中凹坑的尺寸为500微米；
S2，修饰疏水混合粒子：采用低表面能物质修饰疏水混合粒子；其中，疏水混合粒子中各种粒子的粒径分别为：氧化锌微球5微米，氧化铝微球5微米；低熔点合金粒子一3微米，低熔点合金粒子二5微米；各种粒子的重量百分比含量为：氧化锌微球25％，氧化铝微球20％，低熔点合金一30％，低熔点合金二25％。
S3，冷喷涂疏水混合粒子：在凹坑结构层上冷喷涂经过低表面能物质修饰的疏水混合粒子；控制喷涂的工艺参数为：工作气体为N2，预热温度为400℃，压力为3.5MPa，喷涂距离为10mm，粒子速度为1000～1200m/s，喷枪移动速度为150～200mm/s，得到疏水层的厚度为200微米；
S4，保温处理：在冷喷涂疏水混合粒子后，将目标基底放入保温炉中，在280℃下保温8h，待低熔点合金熔化后与与凹坑结构、氧化锌微球、氧化铝微球充分结合，取出，自然降温。
本实施例得到的减阻涂层中，其接触角为167度，具有良好的减阻效果，同时各物质之间结合紧密，耐磨性好，使用寿命长。
采用本发明所述的减阻涂层处理后的水面、水下航行器，具有良好的减阻效果。
以上所述仅为本发明的较佳方式，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种基于冷喷涂的减阻涂层，其特征在于，该减阻涂层包括目标基底表面上的凹坑结构层和在凹坑结构层之上的疏水层；该疏水层是利用冷喷涂技术将疏水混合粒子喷涂到所述凹坑结构层表面形成的；所述的疏水混合粒子为氧化锌微球、氧化铝微球、低熔点合金一、低熔点合金二的混合物；所述低熔点合金一、低熔点合金二均为含有锡、铋、铅、镉的合金，熔点低于250℃；所述疏水混合粒子中各种粒子的粒径分别为：氧化锌微球10微米，氧化铝微球15微米；低熔点合金一3微米，低熔点合金二5微米。
2.根据权利要求1所述的减阻涂层，其特征在于，该凹坑结构层中凹坑的尺度为300～500微米。
3.根据权利要求1所述的减阻涂层，其特征在于，该疏水层的厚度为200微米。
4.根据权利要求1所述的减阻涂层，其特征在于，疏水混合粒子中各种粒子的重量百分比含量为：氧化锌微球35％，氧化铝微球20％，低熔点合金一25％，低熔点合金二20％。
5.根据权利要求4所述的减阻涂层，其特征在于，上述的减阻涂层，其制备过程为：
S1，腐蚀凹坑结构层：对目标基底进行酸化和等离子体腐蚀处理，在其表面制备出微米尺度的凹坑结构层，该凹坑结构层中凹坑的尺寸为300～500微米；
S2，修饰疏水混合粒子：将氧化锌微球、氧化铝微球和低熔点合金粒子混合均匀，然后将混合粒子加入到乙醇中至百分比溶度为6％，然后在该溶液中加入7％的聚四氟乙烯，搅拌均匀；
S3，冷喷涂疏水混合粒子：在凹坑结构层上冷喷涂经过低表面能物质修饰的疏水混合粒子；控制喷涂的工艺参数为：工作气体为N2，预热温度为400℃，压力为3.5MPa，喷涂距离为10mm，粒子速度为1000～1200m/s，喷枪移动速度为150～200mm/s，得到疏水层；
S4，保温处理：在冷喷涂疏水混合粒子后，将目标基底放入保温炉中，在280℃下保温8h，待低熔点合金熔化后与与凹坑结构、氧化锌微球、氧化铝微球充分结合，取出，自然降温。
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