CN107531315A - 超浮力材料与系统 - Google Patents

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CN107531315A CN201580057568.XA CN201580057568A CN107531315A CN 107531315 A CN107531315 A CN 107531315A CN 201580057568 A CN201580057568 A CN 201580057568A CN 107531315 A CN107531315 A CN 107531315A
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Abstract

一种装置，包括一细微数组多孔材料，其具有一大于10/毫米之比表面积，该比表面积取决于不同孔洞尺寸，其中，该细微数组多孔材料包含数个孔洞，其具有一实质上均一且变化量小于约20%之尺寸，其中，该尺寸大于约100纳米且小于约10厘米。该超浮力装置可以是一诸如轮船或潜艇的运输工具的部分，且该细微数组多孔材料被设计来降低摩擦力及/或控制浮力。也可提供一导管以使用一细微数组多孔材料以降低摩擦力及/或控制浮力。可提供一服装以利用该细微数组多孔材料的防水及/或紫外光/红外光反射特性。

Description

超浮力材料与系统
技术领域
本发明是有关于一种材料与系统，特别是指一种超浮力材料与系统。
背景技术
浮力材料可以被用在船、潜艇、水中管线、其他机械结构，以及用于水中或水面环境之运输工具。提供浮力之结构之设计灵感来自自然界中的生物。例如，霸王莲在其底面具有一骨架结构，是由许多厚的叶脉所组成。一隔膜连接该等叶脉，藉以增加形成于其内的气室之比面积及体积。所产生的结构可以浮在水面上，并承载30-80公斤的重量。
发明内容
本揭示是有关于具有高表面积体积比之大尺寸(在某些情况下为3D)细微数组材料，以及其做为超浮力及/或低摩擦力材料之应用。
习知泡沫材料可具有0.5~8毫米之孔洞尺寸。有可能可以制造具有14~3100/毫米之比表面积之多孔块材。然而，该等孔洞尺寸具有一大的变化量，例如大于100%。
此处揭示的一些实施例可制造高表面积对体积比多孔薄膜，其具有一大于100平方厘米(诸如20厘米×20厘米)之表面积。该等孔洞之尺寸可以是例如约100纳米~10厘米。
此处揭示者包括一种超浮力装置，包含一细微数组多孔材料，其具有一大于10/毫米之比表面积，该比表面积取决于不同孔洞尺寸，其中，该细微数组多孔材料包括数个孔洞，其具有一实质上均一且变化量小于约20%之尺寸，其中，该尺寸大于约100纳米且小于约10厘米。该细微数组多孔材料中可具有一均一气压。此外，一均一表面张力可形成于该细微数组多孔材料之表面上。由于该细微数组多孔材料之该等开口尺寸近似，故可达到一实质上稳定的表面张力，如公式F=P/A所示，其中，F表示表面张力，P表示压力，且A表示表面积。
该装置还包括一设置于该细微数组多孔材料上的支撑层。该支撑层可以是一装载基板或主体，诸如类似船的船体部分。在一些实施例中，该支撑结构可以是用于生长该细微数组多孔材料的一基板。而该生长基板并不需移除。在一些实施例中，可添加进一步的或多重支撑结构。在一些实施例中，该细微数组多孔材料可在无基板的情况下被制造，且继而固定至一或数个支撑层。这些不同的层可利用黏结剂以键结或是胶合的方式固定在一起。
在一些实施例中，该细微数组多孔材料可包括数个填充一固态材料的晶界区域，以增加该细微数组多孔材料之一机械强度，其中，该比表面积大于4100/毫米，导致一较高的空气存储器积。该尺寸变化量小于约10%，且该等晶界区域可具有一为约5微米-1毫米之尺寸，或者在一些实施例中甚至更大。例如，对于一具有约10厘米之孔洞尺寸之大面积细微数组多孔材料而言，一晶界区域可具有一约为1平方公尺之面积。在一些其他实施态样中，该细微数组多孔结构可不具有晶界。
在一些实施例中，可提供一运输工具，该运输工具包括一超浮力结构，其包括一细微数组多孔材料，其具有一大于10/毫米之比表面积，该比表面积取决于不同孔洞尺寸，其中，该细微数组多孔材料包含数个孔洞，其具有一实质上均一且变化量小于约20%之尺寸，其中，该尺寸大于约100纳米且小于约10厘米。在一些实施态样中，该细微数组多孔材料可包括一或数个大面积细微数组多孔薄膜。例如，该薄膜可以是一大片薄膜，或者也可以是由许多薄膜结合而成。在一些其他实施态样中，该细微数组多孔材料可以是一或数块的大块细微数组多孔材料。
在一些实施例中，该细微数组多孔材料包括数个填充一固态材料的晶界区域，以增加该细微数组多孔材料之一机械强度，其中，该比表面积大于4100/毫米，导致一较高的空气存储器积。该尺寸变化量小于约10%，且其中，该等晶界区域具有一为约5微米-1毫米之典型尺寸。在一些实施态样中，该等晶界区域可具有一为约1公尺的尺寸。
在一些实施例中，该运输工具是一轮船。在一水环境中的一习知运输工具具有一与水接触的表面，当其在水面上航行时，具有高摩擦力，特别是速度较高时。由于本发明细微数组多孔材料之明显较高的空气存储器积，故根据此处揭示的一些实施例之运输工具之大部分与水的接触面积为空气腔。该接触面积中只有少部分是在材料与水之间。如此一来，由于空气与水之交界处的浮力的增加且流体动力特性的改善，摩擦力实质上便降低了。
在一些实施例中，该运输工具为一潜艇。由于使用该细微数组多孔材料覆盖该潜艇，该潜艇之外表面之约74%可被该细微数组多孔材料中的空气覆盖，而只有表面积之约26%具有与水接触的材料成分。在一些实施例中，该细微数组多孔材料可以是面心立方体(FCC)原子数组，且该潜艇之表面积之约74%是空气。在一些实施例中，该细微数组多孔材料可以是体心立方体(BCC)原子数组，且该比例约为68%。在一些实施例中，该细微数组多孔材料可以是简单立方体(SC)，且该比例约为52%。这让人联想到磁浮列车，其在材料物质与水之间仅有微小接触。如此一来，与水的阻力或摩擦力可大幅降低。
在一些实施例中，该运输工具为一鱼雷，而一细微数组多孔薄膜可覆盖整个鱼雷表面。
在一些实施例中，该运输工具为一自动或无人驾驶的水下运输工具或水面运输工具。
在一些实施例中，该细微数组多孔材料被设计来当该运输工具相对于一流体移动时，与该流体接触。
在一些实施例中，该细微数组多孔材料包含聚合物、陶瓷、金属，或者复合材料中之至少一者。
在另一层面中，本发明提供一流体管，包括一细微数组多孔材料，其具有一大于10/毫米之比表面积，该比表面积取决于不同孔洞尺寸，其中，该细微数组多孔材料包括数个孔洞，其具有一实质上均一且变化量小于约20%之尺寸，其中，该尺寸大于约100纳米且小于约5毫米，其中，该细微数组多孔材料被设计来与一流经该导管的流体相接触以降低该流体及该管之间的摩擦力。该流体可以是例如为油、来自页岩油之油水混合物，或一化学工厂中的化学溶液。
在一些实施例中，该流体管为一表面流体管。只有该管之内表面需具有设置于其上之该细微数组多孔薄膜，以降低该内表面以及流经该管的流体之间的摩擦力。
在一些实施例中，该流体管为一输油管。该输油管可以是只在其内表面涂覆有一细微数组多孔材料之一表面输油管。在一些其他实施态样中，该输油管可以是一水下输油管，且其外表面也可涂覆一细微数组多孔材料，以调整该管之浮力。
在一些实施例中，该流体管为一输水管，诸如一淡化输水管。在此种情况下，该细微数组多孔材料被设计来不仅可降低海水及该管之间的摩擦力，还能过滤海水使其淡化。
在一些实施例中，该流体管为一水下流体管，且其中，该细微数组多孔材料还被设计来控制该流体管之浮力，例如，降低用于该管之支撑物上的应力，或者甚至不需用到支撑物。
在一些实施例中提供一滑水鞋，其具有上面设置一细微数组多孔薄膜之底面。由于摩擦力降低了，故可利用该鞋在湿的表面或甚至干的表面上滑行。在一些其他实施例中可提供一冲浪板，其具有一设置于其上的细微数组多孔薄膜，以改善冲浪特性。
在一些实施例中可提供一服装(诸如一雨衣)，其具有一细微数组多孔薄膜，作为外表面上的涂层。不只是该涂层具备疏水性，甚至该细微数组多孔结构可防止水穿过该表面，同时具有透气的效果。
在一些实施例中，该细微数组多孔材料也可被设计来反射(或甚至全反射)特定波长的光。这可藉由选择该细微数组多孔薄膜(其具有一光子晶体结构)之材料及孔洞尺寸来达成。例如，一细微数组多孔材料可由硅树脂(折射率n=1.57)组成，且可选择孔洞尺寸以反射红外光。此种设置于一衬衫或一夹克之内表面之细微数组多孔材料可藉由将来自使用者身体的红外辐射反射回去，以有效保暖。
一修正布拉格方程式可被用来辅助设计该涂层。例如，对于垂直(90度)入射至该硅树脂细微数组多孔薄膜的光而言，该布拉格方程式可被简化成：λc=2neff×d；其中，λc是被反射的光之波长，neff是有效折射率，d是该细微数组之相邻孔洞之间的距离。该有效折射率可从neff=[nair 2×f + nsilicone 2×(1 - f)]1/2来计算；其中，nair及nsilicone分别是空气及硅树脂的折射率，f是该细微数组多孔材料中的气泡之体积因子；d=(2/3)1/2D，其中，D是气泡之直径。使用nsilicone=1.59及nair=1，f=0.74，且对于红外波长λc=1000纳米，可计算出D=520纳米。对于红外波长λc=5000纳米而言，对应的理想D=2605纳米。类似地，对于λc=10000纳米而言，D=5200纳米。
在一些实施例中，设置于夹克之一外表面之细微数组多孔薄膜可被设计反射(或甚至全反射)紫外光，藉以为使用者提供防紫外线的功能。
与诸如金属泡沫及纳米多孔材料之现有多孔材料而言相较之下，此处所揭示的本发明实施例可具有以下优点中的一或数个：1)可达成具有大的相对表面积之大尺寸高度多孔材料，其具有拥有光子晶体性质之周期性结构，诸如可全反射特定波长的光。2)该等材料(例如多孔薄膜)可具有如同原子数组结构，其具有整齐排列的密集孔洞。这是对比于具有随机分布孔洞之材料，其具有可能远小于或高于74%之空气腔体积比率、不均一的单位面积之表面张力特性，且当相对于流体移动时，通常无法导致层流(均一压力)。
在一些范例中，可达成具有一细微数组多孔结构之纳米多孔材料。
此种高度多孔材料/薄膜之孔洞尺寸约为100纳米-10厘米，且晶粒区域约为5微米-1毫米(诸如1平方毫米)或者更大。该等晶粒区域可以利用光学显微镜(OM)观察到是形成周期性或准周期性结构之区域。类似于晶界的缺限可存在该等晶粒区域之间。该等晶粒区域之间的该等晶界可提供为该等多孔薄膜之机械强度之主要来源。
可提供具有大于20厘米×20厘米之尺寸之大面积巨型多孔薄膜，其具有例如为约10厘米之厚度(取决于胶体颗粒尺寸)。可达成一相当大的表面积对体积比，其可表示为：
， (1)
其中，为比表面积，d为平均孔洞直径(单位为毫米)，θ为孔洞比。例如，对于d=0.01毫米，74%之孔洞比而言，比表面积可为约4100/毫米；对于d=0.001毫米，比表面积可为约41000/毫米。
在一些实施例中，可制造一具有三维(3D)结构之大块多孔材料。其是对比于以现有方法制造的多孔材料。现有金属泡沫一般具有大于500微米之孔洞尺寸，及约为14~3100/毫米之比表面积，且具有大的孔洞尺寸变化量(诸如大于100%)。
本发明之多孔材料(例如细微数组多孔薄膜)在一些实施例中可大于10/毫米，在一些实施例中可大于3100/毫米，或者在一些实施例中，可大于4100/毫米(诸如约4108/毫米、约8217/毫米，或约41087/毫米)。同时，这些材料中的孔洞具有本质上均一的尺寸，诸如表示变化量之标准偏差小于20%，或者在一些实施例中变化量小于10%。
附图说明
本发明之其他的特征及功效，将于参照图式的实施方式中清楚地呈现。
图1说明根据一些实施例的一超浮力结构。
图2是该超浮力结构之一放大视图。
图3是一说明多孔材料用于一潜艇之视图。
图4是一说明该多孔材料用于一轮船之视图。
图5是一说明该多孔材料用于一导管之一内层及/或外层之视图。
图6是一说明该多孔材料用作一只鞋子的底部涂层之视图。
图7是一说明该多孔材料用作一冲浪板的底面涂层之视图。
图8是一说明该多孔材料用作一夹克的一内层及外层之视图。
具体实施方式
诸如金属泡沫之多孔材料可具有高表面积体积比，例如可以表示为
，
其中，为比表面积，d为平均孔洞直径，单位为毫米，θ为孔洞比。例如，对于d=0.01毫米，90%之孔洞比而言，比表面积为2425/毫米。多孔材料可展现出适用于各种应用的机械、声学、热学、光学、电气及化学性质。
典型的金属泡沫可具有金属韧带之结缔组织。该等金属韧带具有不同的长度与方向，且在相邻韧带之间形成有不同形状与尺寸的个别空隙(孔洞)。典型的金属泡沫之孔洞尺寸可为0.5-8毫米。
除了比面积以外，孔洞尺寸的均一性是另一个重要因素。习知金属泡沫之孔洞尺寸之变化量高达100%以上。
根据本发明之一些实施例之一高浮力材料具有在10%-76%之范围内之比容。在一些实施例中，该比容是在50%-74%之范围内，诸如74%。
例如，如图1所示的超浮力结构10包含一被设计来与流体(或气体)14相接触以提升浮力的细微数组多孔薄膜12，以及一被设置于其上以支撑重量(诸如船内的货物)的支撑层16。该细微数组多孔薄膜12之参数可在制造过程中被调整以提供不同的比容且因而提供不同的浮力。
图2是图1中的细微数组多孔薄膜12之放大视图。该细微数组多孔薄膜12之表面还可被涂覆，或结构化，因而是疏水性的。该等孔洞可为周期性分布。一般而言，该等孔洞的比容愈高，其浮力特性或疏水性质愈好。
在一些实施例中，可提供电流流经细微数组多孔材料20，因而可进一步提升浮力特性或疏水性质。
如图2所示，该细微数组多孔材料20可具有形成有多个孔洞的纳米结构22。从表面周期性排列的个别孔洞发现，此种3D纳米结构22也可具有周期性。与2D周期性结构比较之下，即使水在施压状态下渗入多孔材料22，底层(例如第二层)仍然可以防止水持续渗入，藉以保持疏水性质。对比之下，2D周期性结构之疏水性质将会失效。
此外，随着3D周期性结构中的水压增加，该结构内部的空气受到压缩，使气压上升，而进一步达到防水的功能。
有益的是，根据本发明之一些实施例的多孔材料可显著地提升气室的体积，藉以提升浮力。
相较于具有较小比表面积以及孔洞尺寸欠缺均一性之习知金属泡沫，本发明之细微数组多孔材料20具有较大的比表面积，且其内的孔洞之尺寸高度均一。
以下表1针对习知金属泡沫以及本发明之细微数组多孔材料20，比较了方程式(1)中所定义的参数。如表1所示，细微数组多孔材料20之比表面积可以高于3130/毫米，诸如高于4100/毫米。然而，细微数组多孔材料20之比表面积也可以介于10/毫米及3130/毫米，而仍然具有金属泡沫所没有的可用于各种应用之优异特性。例如，根据一些实施例，具有>10/毫米的比表面积之细微数组多孔材料20可具有非常均一的孔洞尺寸，诸如标准偏差<20%，或甚至<10%。
表1
在一些实施例中，提供了细微多孔ZnO薄膜。例如，其制作过程可包括：1)制备单分散的聚苯乙烯(PS)胶体悬浮液；2)组装PS胶体晶体模版，并将该模版置于约90-100℃大气环境下进行干燥，例如历经约30分钟；3)在定电流(例如1 mA/cm2)、温度约70℃下，利用Zn(NO3)2电镀液进行ZnO之电沉积；及4)藉由在约500℃之环境下加热少于2小时来移除PS纳米球模版。因而，可制造出一具有可控制的周期性层之细微数组多孔ZnO薄膜。
在一些实施例中，经由组装过程所形成的胶体颗粒模版可以由聚苯乙烯(PS)、SiO2、PMMA(聚甲基丙烯酸甲酯)，或者任何球状粉末物质制成，其颗粒尺寸介于约100纳米至10厘米，且直径变化量(例如标准偏差)是在约±20%内，最佳在约±10%内。例如，在一些实施例中，该颗粒尺寸约为200纳米±40纳米；在另一范例中，该颗粒尺寸约为300纳米±60纳米。该等颗粒可为球状，且可为空心或实心球。在一些其他实施例中，也可使用非球形。
在一些实施例中，该等细微多孔薄膜(平面/块状)之晶粒区域可以在约5微米-1公尺的范围内，且孔洞尺寸可以在约100纳米-10厘米的范围内。
本发明所揭示的多孔材料可被用于许多领域的应用。在一些其他实施例中，该等多孔材料可被用于诸如增加浮力、降低摩擦力，或者降低重量同时改善机械结构之强度之应用领域。
例如，如图3所示，一运输工具(诸如水下运输工具30)可在一外壳表面32上或外壳结构中使用该多孔材料。该多孔材料可改善运输工具的浮力，且也可降低该运输工具在一流体(诸如水)中移动时的阻力。在该水下运输工具30的实例中，该多孔材料可分布在该外壳表面32上。该水下运输工具30可以是一潜艇、一鱼雷等，且可以有人操作或无人操作。
在一些其他实施例中，如图4所示，一水面运输工具40(诸如轮船)可在与水接触的一表面积42使用该多孔材料。该多孔材料可改善运输工具40的浮力，且也可降低该运输工具40在一流体(诸如水)中移动时的阻力。
在一些实施例中，如图5所示，可在一导管50之一内表面52使用该细微数组多孔材料。该导管50可以是例如输油管、输水管等。该多孔材料可降低该导管50与在其内流动的一流体(诸如油、水等)之间的摩擦力。
此外，在该导管50为输水管的情况下，设置于该内表面52上的该细微数组多孔材料也可做为一用于净化或淡化流经该导管50的水之过滤器。该多孔材料之高表面积对体积比有效地使污染水被净化，或使海水被淡化。
在一些实施例中，该导管50之外表面54可涂覆一细微数组多孔材料。该细微数组多孔材料可增加该导管50用作一水下管时的浮力，藉以降低使用支撑物(例如，为了将海底输油管50固定在海底)之需求。
在一些实施例中，如图6所示，一只鞋子60具有一涂覆有一细微数组多孔材料之底部62。该细微数组多孔材料可降低该鞋子60与一湿的表面之间的摩擦力。如此一来，该鞋子60可被用作在一湿的表面上之一滑行鞋。在一些其他实施例中，该细微数组多孔材料可被施加至溜冰鞋的冰刀，以降低冰刀与冰之间的摩擦力。
在一些实施例中，如图7所示，一冲浪板70具有一涂覆有一细微数组多孔材料之底面72。该细微数组多孔材料可降低该冲浪板70与水74之间的摩擦力，同时增加该冲浪板70的浮力。
在一些实施例中，如图8所示，诸如一夹克之一服装80具有一涂覆有一细微数组多孔材料之外表面82。该细微数组多孔材料可具有疏水性以防水，且该服装80可用作一雨衣。此外，根据一些实施态样，在该外表面82上的该细微数组多孔材料可具有可选择的孔洞尺寸及材料，因而该细微数组多孔材料的光子晶体效应使该外表面82可反射(例如全反射)特定波长的光，诸如紫外光。如此一来，该服装80可保护使用者免于紫外光的危害。
在一些实施态样中，一设置于该服装80上的细微数组多孔薄膜，诸如在内表面84，是被设计成具有使红外光全反射之一光子晶体之光学特性，藉以保持使用者的体温。
在一些其他实施例中，该细微数组多孔材料可被用来储存空气、氧气，或氢气。
虽然上面已经详细描述了具体实施例，但是描述仅仅是为了说明的目的。因此，应当理解，除非另有明确说明，否则上述许多方面不旨在作为必需或必要的要素。本领域普通技术人员可以对本示例性实施例的所公开的方面进行各种修改和等同的动作，除了上述内容之外，还可以在不脱离本在以下权利要求中限定的公开内容的精神和范围，其范围将被赋予最广泛的解释以包含这些修改和等效结构。

Claims (20)

1.一种超浮力装置，包含一细微数组多孔材料，其具有一大于10/毫米之比表面积，该比表面积取决于不同孔洞尺寸，其中，该细微数组多孔材料包括数个孔洞，其具有一实质上均一且变化量小于约20%之尺寸，其中，该尺寸大于约100纳米且小于约10厘米。
2.根据权利要求1所述的超浮力装置，还包含一设置于该细微数组多孔材料上的支撑层。
3.根据权利要求2所述的超浮力装置，其中，该支撑层被设计来对该细微数组多孔材料提供结构强度及保护。
4.根据权利要求2所述的超浮力装置，其中，该支撑层是该细微数组多孔材料之一基板。
5.根据权利要求1所述的超浮力装置，其中，该细微数组多孔材料包含数个填充一固态材料的晶界区域，以增加该细微数组多孔材料之一机械强度，其中，该比表面积大于4100/毫米，其中，该尺寸变化量小于约10%，且其中，该等晶界区域具有一为约5微米-1公尺之尺寸。
6.一种运输工具，包含一超浮力结构，该超浮力结构包括一细微数组多孔材料，其具有一大于10/毫米之比表面积，该比表面积取决于不同孔洞尺寸，其中，该细微数组多孔材料包括数个孔洞，其具有一实质上均一且变化量小于约20%之尺寸，其中，该尺寸大于约100纳米且小于约10厘米。
7.根据权利要求6所述的运输工具，还包含一设置于该数组细微多孔材料上的支撑层。
8.根据权利要求6所述的运输工具，其中，该细微数组多孔材料包含数个填充一固态材料的晶界区域，以增加该细微数组多孔材料之一机械强度，其中，该比表面积大于4100/毫米，其中，该尺寸变化量小于约10%，且其中，该等晶界区域具有一为约5微米-1公尺之尺寸。
9.根据权利要求6所述的运输工具，其中，该运输工具为一轮船。
10.根据权利要求6所述的运输工具，其中，该运输工具为一水下运输工具。
11.根据权利要求6所述的运输工具，其中，该细微数组多孔材料被设计来当该运输工具相对于一流体移动时，与该流体接触。
12.根据权利要求6所述的运输工具，其中，该细微数组多孔材料是由聚合物、陶瓷、金属，或复合材料中之一者组成。
13.一种导管，包含一细微数组多孔材料，其具有一大于10/毫米之比表面积，该比表面积取决于不同孔洞尺寸，其中，该细微数组多孔材料包括数个孔洞，其具有一实质上均一且变化量小于约20%之尺寸，其中，该尺寸大于约100纳米且小于约10厘米，其中，该细微数组多孔材料被设计来与一流经该导管的流体相接触以降低该流体及该导管之间的摩擦力。
14.根据权利要求13所述的导管，其中，该导管是一表面流体管。
15.根据权利要求13所述的导管，其中，该导管是一输油管。
16.根据权利要求13所述的导管，其中，该导管是一输水管。
17.根据权利要求13所述的导管，其中，该细微数组多孔材料被设计来除了降低水管及流经该水管的水之间的摩擦力以外，还可过滤或淡化水。
18.根据权利要求13所述的导管，其中，该导管是一水下流体管，且其中，该细微数组多孔材料还被设计来控制该水下流体管的浮力。
19.一种服装，包含一细微数组多孔材料，其具有一大于10/毫米之比表面积，该比表面积取决于不同孔洞尺寸，其中，该细微数组多孔材料包括数个孔洞，其具有一实质上均一且变化量小于约20%之尺寸，其中，该尺寸大于约100纳米且小于约10厘米，其中，该细微数组多孔材料被设计来防水。
20.根据权利要求19所述的服装，其中，该细微数组多孔材料还被设计来基于该细微数组多孔材料之一光子晶体特性，选择性地反射特定波长的光。
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