CN107323602A - 一种三明治结构的智能水凝胶材料减阻表面 - Google Patents

一种三明治结构的智能水凝胶材料减阻表面 Download PDF

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Abstract

一种三明治结构的智能水凝胶材料减阻表面属表面减阻技术领域，本发明由PAAm水凝胶Ⅰ、PNIPAM水凝胶、超微细加热网和PAAm水凝胶Ⅱ组成，PNIPAM水凝胶的横截面为长条形底面和间隔三角形上面的组合体，超微细加热网固接于PNIPAM水凝胶的长条形底面中，超微细加热网的底边与PNIPAM水凝胶中长条形底面的底边间距h2为5～10μm；PAAm水凝胶Ⅰ和PAAm水凝胶Ⅱ分别涂敷于PNIPAM水凝胶的上下表面；超微细加热网的ab端分别为正负极；通过减阻表面的流固界面微结构和其中的超微细加热网，实现对温度的控制，进而实现对微结构形态尺寸的改变，使航行体适应不同工况状态下流场结构的变化，提高航速和航程。

Description

一种三明治结构的智能水凝胶材料减阻表面
技术领域
本发明属表面减阻技术领域，具体涉及一种三明治结构的智能水凝胶材料减阻表面。
背景技术
表面摩擦阻力是水面舰艇、潜艇及鱼雷等的主要能耗来源。由于水黏性引起的水面舰艇的摩擦阻力占总阻力比率大于50％，水下航行器的表面摩擦阻力均占总阻力的80％以上。可见，减小由水的黏性引起的表面摩擦阻力是当今科学研究的一个重要课题，在理论及实际应用方面均有十分重要的意义。
探求减阻新方法、开发减阻新技术一直是各国政府优先发展的领域，近年来各种减阻方法不断涌现，其中通过控制湍流边界层的拟序结构实现减阻的方法，因其方便、环保、高效等优点，受到学术界及军工部门的广泛关注。按有无能量的输入，流动控制分为主动控制和被动控制，主动控制方法需要能量输入，可以根据流场特性智能调控壁面或改变边界层内流体黏性，以适应不同工况的减阻需求。被动控制方法仅通过壁面形态(如鲨鱼皮表面)或者壁面材料(如弹性材料)的改变实现减阻，实现方式简单，且只在特定的来流条件下具有良好的减阻性能，对来流条件的适应性差。因此，寻求一种形态及尺寸可控的减阻表面，便可使水下航行体在全工况下均具有最佳的减阻性能。温敏聚合物(温度响应性聚合物)智能材料的发展，使得该设想成为可能。聚(N-异丙基丙烯酰胺)(PNIPAM)是研究者关注最多的一类温敏共聚物，能够对温度刺激产生快速响应，从而表现出相分离行为。但是，单一的PNIPAM水凝胶的机械强度较弱，尚不能直接用于边界层的控制。因此，提高水凝胶材料的机械强度，并能保证其热响应特性，是根据流场特性实现边界层智能控制的一种重要途径。
发明内容
本发明的目的是提供一种三明治结构的智能水凝胶材料减阻表面。
本发明由PAAm水凝胶Ⅰ1、PNIPAM水凝胶2、超微细加热网3和PAAm水凝胶Ⅱ4组成，其中PNIPAM水凝胶2凝固后其横截面为长条形底面5和间隔三角形上面6的组合体，超微细加热网3固接于PNIPAM水凝胶2的长条形底面5中，超微细加热网3的底边与PNIPAM水凝胶2中长条形底面5的底边间距h2为5～10μm；PAAm水凝胶Ⅰ1涂敷于PNIPAM水凝胶2的上表面，PAAm水凝胶Ⅱ4涂敷于PNIPAM水凝胶2的下表面；超微细加热网3的a端设为正极，超微细加热网3的b端设为负极。
所述PNIPAM水凝胶2中长条形底面5的长度L为1～2mm，厚度h1为15～25μm；所述PNIPAM水凝胶2中间隔三角形上面6的三角形高h为20～110μm，三角形底边长s为30～130μm，相邻三角形间隔f为50～200μm。
所述超微细加热网3的厚度h3为5～8μm。
所述PAAm水凝胶Ⅰ1和PAAm水凝胶Ⅱ4对PNIPAM水凝胶2的涂敷厚度h4为5～7μm。
上述技术方案中，通过两薄层高强度的聚丙烯酰胺(PAAm)水凝胶材料包夹热响应材料聚(N-异丙基丙烯酰胺)(PNIPAM)，减阻表面的流固界面具有沟槽状的微结构，超微细加热网3位于聚(N-异丙基丙烯酰胺)(PNIPAM)材料的中间位置。
所述的两薄层高强度的聚丙烯酰胺(PAAm)水凝胶材料包夹热响应材料聚(N-异丙基丙烯酰胺)(PNIPAM)的方法提高水凝胶热响应材料的强度。
所述的减阻表面的流固界面具有沟槽状的微结构可以实现减阻的功能。
所述的超微细加热网3两端连接电源，可以改变热响应材料PNIPAM水凝胶2的温度，随着温度的升高PNIPAM水凝胶2的溶胀度降低，造成容积坍塌，进而影响表面微结构尺寸的变化，使得水下航行体适应不同工况的减阻要求。
与现有技术相比，本发明可以产生有益效果：
(1)该减阻表面通过超微细加热网对聚(N-异丙基丙烯酰胺)(PNIPAM水凝胶)进行升温或降温，影响其体积的变化，从而实现对流固界面微结构尺寸的改变，使得航行体适应不同工况的减阻要求。
(2)该表面的微结构形态改变附面层内湍流结构，使得航行体表面由湍流状态转变为层流状态，层流状态的边界层速度梯度小于湍流状态，导致摩擦阻力降低，进而使航行体总阻力降低。
附图说明
图1为三明治结构的智能水凝胶材料减阻表面示意图
图2为图1中c所指部位的尺寸标记放大图
图3为PNIPAM水凝胶结构示意图
其中：1.PAAm水凝胶Ⅰ 2.PNIPAM水凝胶 3.超微细加热网 4.PAAm水凝胶Ⅱ 5.长条形底面 6.间隔三角形上面
具体实施方式
本发明提出一种三明治结构的智能水凝胶材料减阻表面，以下结合附图和具体实施例，对本发明所述的智能水凝胶材料减阻表面进行详细说明。
如图1所示，三明治结构的智能水凝胶材料减阻表面由PAAm水凝胶Ⅰ1、PNIPAM水凝胶2、超微细加热网3和PAAm水凝胶Ⅱ4组成，其中PNIPAM水凝胶2凝固后其横截面为长条形底面5和间隔三角形上面6的组合体，如图3所示。超微细加热网3固接于PNIPAM水凝胶2的长条形底面5中，超微细加热网3的底边与PNIPAM水凝胶2中长条形底面5的底边间距h2为5～10μm；PAAm水凝胶Ⅰ1涂敷于PNIPAM水凝胶2的上表面，PAAm水凝胶Ⅱ4涂敷于PNIPAM水凝胶2的下表面；超微细加热网3的a端设为正极，超微细加热网3的b端设为负极。
三明治结构的智能水凝胶材料减阻表面具有三角形状的沟槽结构，相邻三角形间隔f为50～200μm，PNIPAM水凝胶2中长条形底面5的长度L为1～2mm，厚度h1为15～25μm，超微细加热网3的厚度h3为5～8μm，目数为3000～6000，孔径为2.5～5μm。PAAm水凝胶Ⅰ1和PAAm水凝胶Ⅱ4对PNIPAM水凝胶2的涂敷厚度h4为5～7μm。
如图2所示，PNIPAM水凝胶2中间隔三角形上面6的三角形高h为20～110μm，三角形底边长s为30～130μm。
实施例1：当h+≤25，s+≤30时，三明治结构的智能水凝胶材料表面具有减阻特性，PNIPAM水凝胶2中长条形底面5的长度L为2mm，厚度h1为25μm，超微细加热网3的底边与PNIPAM水凝胶2中长条形底面5的底边间距h2为10μm，超微细加热网3的厚度h3为8μm，目数为6000，孔径为2.5μm，PAAm水凝胶Ⅰ1和PAAm水凝胶Ⅱ4对PNIPAM水凝胶2的涂敷厚度h4为7μm。设定三角形沟槽的高度值h为110μm，沟槽的宽度值s为130μm，相邻三角形间隔f为200μm。当航速为7.72m/s，即雷诺数为3.30×107时，所述的三明治结构的智能水凝胶材料减阻表面减阻率为8.07％。
实施例2：当航速为14.15m/s，即雷诺数为6.06×107时，通过电源将超微细加热网3升温至32℃，此时减阻表面微结构尺寸为：PNIPAM水凝胶2中长条形底面5的长度L为1.5mm，厚度h1为20μm，超微细加热网3的底边与PNIPAM水凝胶2中长条形底面5的底边间距h2为7.5μm，超微细加热网3的厚度h3为6.5μm，目数为6000，孔径为2.5μm，PAAm水凝胶Ⅰ1和PAAm水凝胶Ⅱ4对PNIPAM水凝胶2的涂敷厚度h4为6μm。设定三角形沟槽的高度值h为65μm，沟槽的宽度值s为80μm，相邻三角形间隔f为125μm。所述的三明治结构的智能水凝胶材料减阻表面减阻率为10.05％。
实施例3：当航速为20.58m/s，即雷诺数为8.92×107时，通过电源将超微细加热网3升温至34℃，此时减阻表面微结构尺寸为：PNIPAM水凝胶2中长条形底面5的长度L为1mm，厚度h1为15μm，超微细加热网3的底边与PNIPAM水凝胶2中长条形底面5的底边间距h2为5μm，超微细加热网3的厚度h3为5μm，目数为6000，孔径为2.5μm，PAAm水凝胶Ⅰ1和PAAm水凝胶Ⅱ4对PNIPAM水凝胶2的涂敷厚度h4为5μm。设定三角形沟槽的高度值h为20μm，沟槽的宽度值s为30μm，相邻三角形间隔f为50μm。所述的三明治结构的智能水凝胶材料减阻表面减阻率为6.29％。

Claims (4)

1.一种三明治结构的智能水凝胶材料减阻表面，其特征在于：由PAAm水凝胶Ⅰ(1)、PNIPAM水凝胶(2)、超微细加热网(3)和PAAm水凝胶Ⅱ(4)组成，其中PNIPAM水凝胶(2)凝固后其横截面为长条形底面(5)和间隔三角形上面(6)的组合体，超微细加热网(3)固接于PNIPAM水凝胶(2)的长条形底面(5)中，超微细加热网(3)的底边与PNIPAM水凝胶(2)中长条形底面(5)的底边间距h2为5～10μm；PAAm水凝胶Ⅰ(1)涂敷于PNIPAM水凝胶(2)的上表面，PAAm水凝胶Ⅱ(4)涂敷于PNIPAM水凝胶(2)的下表面；超微细加热网(3)的a端设为正极，超微细加热网(3)的b端设为负极。
2.按权利要求1所述的三明治结构的智能水凝胶材料减阻表面，其特征在于：所述PNIPAM水凝胶(2)中长条形底面(5)的长度L为1～2mm，厚度h1为15～25μm；所述PNIPAM水凝胶(2)中间隔三角形上面(6)的三角形高h为20～110μm，三角形底边长s为30～130μm，相邻三角形间隔f为50～200μm。
3.按权利要求1所述的三明治结构的智能水凝胶材料减阻表面，其特征在于：所述超微细加热网(3)的厚度h3为5～8μm。
4.按权利要求1所述的三明治结构的智能水凝胶材料减阻表面，其特征在于：所述PAAm水凝胶Ⅰ(1)和PAAm水凝胶Ⅱ(4)对PNIPAM水凝胶(2)的涂敷厚度h4为5～7μm。
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