CN109421894B - 一种船体减阻微纳米复合结构及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提出一种船体减阻微纳米复合结构，为设置在基体表面的三棱锥体形状的刀片结构阵列，所述三棱锥体俯视角度的形状为锐角三角形，三角形尖端的锐角角度在7～10°；所述刀片结构长200～600μm。本发明还提出所述船体减阻微纳米复合结构的制备方法。本发明提供了一种简单、低成本的制备各向异性超疏水结构的方法，解决了船体的减阻问题，节省了能耗，延长了船只的航行距离。

Description

一种船体减阻微纳米复合结构及其制备方法
技术领域
本发明属于船用设备领域，具体涉及一种减阻的船体微纳米结构的制备方法。
背景技术
船体减阻的传统方法是通过设计流线型的结构或者是在船体外壳做光滑的表面来实现减阻效果。但是这些方法，都仅仅局限在结构的设计上，而忽略了船体表面的浸润性。例如，船在前行过程中，水流会在船体表面滞留，从而形成层流或者是湍流。而在超疏水材料表面，因为固液界面的粘附力非常小，所以很难形成层流，流体是直接和固体表面摩擦的阻力非常小。在特殊的各向异性微结构的辅助作用下，流体在超疏水结构表面很难形成稳定的边界层，从而实现了减阻的作用。
专利CN 103192946 A提出一种楔形船底减阻气层保持结构，由两个以上相互平行且垂直于船底的纵隔板沿船体纵向与船斜底连接构成；纵隔板将船斜底平均隔成一至多个适当长度、宽度和深度的气腔用于保持气层。该技术利用气层作用来减小阻力，减阻效果有限；如能在微观结构上实现气层减阻，势必能更容易集成到船体、可有更广泛的应用。
发明内容
(一)要解决的技术问题
针对船体运动阻力问题，本发明提供了一种船体减阻微纳米复合结构的制备方法，获得有效减阻的微纳米结构。
本发明的另一目的是提出所述微纳米结构在船只制造中的应用。
(二)技术方案
本发明的目的通过以下技术方案来实现：
一种船体减阻微纳米复合结构，为设置在基体表面的三棱锥体形状的刀片结构阵列，所述三棱锥体俯视角度的形状为锐角三角形，三角形尖端的锐角角度在7～10°；所述刀片结构长200～600μm。
其中，所述基体和刀片结构均为高分子聚合物材质，在所述刀片结构表面设置有疏水层，所述疏水层为纳米ZnO层。
优选地，所述三棱锥体俯视角度的形状为锐角三角形，锐角所对的边长为10～80μm，三棱锥体高10～100μm；在横向和纵向上相邻的刀片结构均不对齐。
设置所述的船体减阻微纳米复合结构的船只，所述三棱锥体形状的锐角方向和船头的方向一致。
本发明所述船体减阻微纳米复合结构的制备方法，包括步骤：
(1)将刀尖整齐排列，然后在塑料板表面压下、或进行周期性地点焦，在塑料板表面压制出刀尖的反结构阵列；
(2)用软复型的方法，用PDMS(聚二甲基硅氧烷)复制塑料板表面的结构，得到类似于手术刀尖的微结构，
(3)用水热法在PDMS所制备的微结构表面制备纳米结构，经过氟硅烷(FAS-17)处理之后，得到了具有低表面能的表面。
本发明优选技术方案之一为，步骤(1)中，所述刀尖为手术刀的刀尖，在显微镜下用微加工方法焊在金属滚轮表面。
本发明另一优选技术方案为，步骤(1)中，将手术刀片以30-60°的角度固定于三维平台，通过三维平台在PVC板表面进行周期性地点焦，通过x、y两个方向控制每一个微结构的间距，可以调控在50-500微米；通过z(竖直)方向上调控深度，来调控结构的高度，在PVC板表面形成刀片反结构阵列。
其中，步骤(1)中，所述塑料板为高密度聚乙烯(PE)板，塑料板上压制出的阵列中，相邻的刀尖反结构间距为50-500μm。在横向和纵向上相邻的刀片反结构均不对齐。高密度聚乙烯和PDMS之间的粘附力较小(例如用PVC材料就不行)，方便下一步操作。
其中，所述步骤(2)为，聚甲基硅氧烷和固化剂以15:1至6:1的比例混合，真空去掉内部的气泡，然后灌注在塑料板表面，经过1-3小时固化时间，揭开PE模板，得到了PDMS基底的柔性的各向异性刀片结构。
本方法的步骤(3)制备纳米结构和获得低表面能的表面。具体地，所述步骤(3)为，纳米结构制备过程：首先是制备晶种溶液和生长液，所述晶种溶液为：醋酸锌、单乙醇胺、乙二醇甲醚按1g：5～20mL：10～30mL混合，搅拌至透明。生长液为：0.1～0.5质量份六次甲基四胺和0.5～1质量份锌盐和100质量份水混合；
PDMS基底沾取晶种溶液并干燥，使PDMS表面修饰了晶种；将含有晶种的PDMS基底竖直放置在反应釜中，加入生长液，液态没过样品；在70～120℃条件下保持8～15小时，得到纳米结构；
修饰了纳米结构的PDMS基底放在密闭容器内，周围放置有氟硅烷(FAS-17)，在真空条件下保持4-8小时，得到超疏水功能表面。
(三)有益效果
本发明提供了一种简单、低成本的制备各向异性超疏水结构的方法，解决了船体的减阻问题，节省了能耗，延长了船只的航行距离。
本制备方法容易操作，成本低廉，可以用于工业制造；通过在水中的流体力学实验，验证了本方法获得的微纳米结构能有效切开水滴；因微纳米结构是疏水表面，在船体的疏水表面观察到气泡层，其大大减小了船只前进阻力。
附图说明
图1为实施例1制备工艺流程图；
图2为实施例1得到的微结构的电镜扫描照片。
图3的a)列和b)列是高速摄影机拍摄照片。一个水滴在0ms至9ms可以定向弹跳离开表面，图3之c)列是示意图，箭头代表的是微结构的形状和方向。
图4为船底设置本发明微纳米复合结构的小船在水中以不同速度行驶的照片，a1至d1为俯视图，a2至d2为流体流动示意图(frame是帧数，相机帧数25帧/s)。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。如无特别说明，实施例中采用的手段均为本领域已知的技术手段。
以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
实施例1
制备方法的流程见图1，本实施例为一种制备各向异性超疏水结构的方法，可以有效减小船体运行阻力，具体包括如下步骤：
(1)将手术刀片的刀尖向外，另一端粘上焊锡，用微加工的方法，在显微镜下进行焊接操作，使刀尖紧密排列在金属滚轮表面，形成间距可控的阵列。通过带手术刀片的金属棒在高密度聚乙烯(PE)板表面滚动，留下手术刀片反结构阵列。
(2)PDMS(聚甲基硅氧烷)和固化剂以10:1的体积比例混合，抽真空去掉内部的气泡，然后灌注在PE模板表面。经过3小时固化时间，揭开模板，得到了PDMS基底的柔性的各向异性手术刀片结构。
(3)用水热法在PDMS所制备的微结构表面制备ZnO纳米结构，经过氟硅烷(FAS-17)处理之后，得到了具有低表面能的表面。
具体制备过程：首先是制备晶种溶液和生长液，晶种溶液为醋酸锌1g，单乙醇胺20mL，乙二醇甲醚10mL混合，搅拌至透明。生长液：0.4g六次甲基四胺和0.8g六水合硝酸锌在100mL去离子水中搅拌至透明。
PDMS基底沾取晶种溶液后，在烘箱内70℃干燥1小时之后，在220℃条件下保持2分钟，PDMS表面修饰了晶种。将含有晶种的PDMS基底竖直放置在100mL的聚四氟乙烯内胆反应釜中，加入生长液，液体没过样品。在90℃条件下保持12小时，得到纳米结构。在真空干干燥器内，一滴氟硅烷(FAS-17)放置在样品周围，抽真空15分钟。然后在80℃条件下保持5-6小时，取出得到超疏水功能表面。
该结构的SEM照片见图2，相邻的刀尖结构之间的纵向距离为200μm，在横向和纵向上相邻的刀片结构均不对齐(图2之a))；由图2之b)可以看出，刀片结构长400μm左右，形状是三棱锥体，俯视角度的形状为锐角三角形，三角形尖端的锐角角度为8°；图2之c)是三棱锥体的侧面视图，可见其高为60μm，锥体尖端与基体的夹角为10°。图2之d)为侧面观察图。图2之e)是观察单个凸起结构，图2之f)为表面结构的放大图，其为均匀的纳米结构。
本实施例获得的微纳米复合结构与水滴的试验见图3，液滴撞击结构表面，因为固体结构表面非常疏水，所以液滴会弹起。在各向异性的微结构表面，液滴会定向弹起脱离结构表面。证明其具有疏水功能。
船只减阻试验
作为对比，船只底部设置为光滑表面(SF-surface)，其制作方法中只是没有制备纳米结构，所以没有超疏水功能，材料依然是PDMS。
实施例1获得的具有疏水功能的微纳米复合结构(SH-SF-surface)用于船体的试验见图4，试验在水槽中进行，图4左列各图中0，13，25表示帧数，从a1至d1船只航行的速度依次减慢(相同帧数下，船在不同的位置)，其中a2和b2是设置有微纳米复合结构(SH-SF-surface)的船只。锐角的尖的方向是direction1(方向1)，相反的方向为direction 2，在超疏水结构表面，船体速度比亲水的要快。而沿着方向1运动，速度会更快，有明显减阻的效果。采用本发明的微纳米复合结构，在船底形成微小气泡(Air bubbles),气泡层隔在船体和流体之间，成功减小了流体阻力。
实施例2
本实施例为制备各向异性超疏水结构的方法，具体包括如下步骤：
(1)将手术刀片(市购)以45度角固定在三维平台，通过三维平台x、y两个方向控制每一个微结构的间距，可以调控在50-500微米；通过z(竖直)方向上调控深度，来调控结构的高度，在PE板表面进行周期性地点焦，在PE板表面形成刀片反结构阵列。
(2)PDMS(聚甲基硅氧烷)和固化剂以15:1的比例混合，真空去掉内部的气泡，然后灌注在PE模板表面。经过3小时固化时间，揭开模板，得到了PDMS基底的柔性的各向异性手术刀片结构。
(3)疏水层的制备同实施例1。
上述方法得到的微纳米结构表面，液滴撞击后实现了各向异性的弹跳，弹跳方向是沿着方向1运动，证明了方向1的运动阻力小。然后将材料附着在船体底部，进行航行阻力测试。船体运行方向沿着方向2(流体沿着方向1)的阻力是最小的，船体运动速率也是最快的。
最后应说明的是，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精神和范围，其均应当涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (7)

1.一种船体减阻微纳米复合结构，其特征在于，为设置在基体表面的三棱锥体形状的刀片结构阵列，所述三棱锥体俯视角度的形状为锐角三角形，三角形尖端的锐角角度在7~10°，锐角所对的边长为10~80μm，三棱锥体高10~100μm；所述刀片结构长200~600μm，在横向和纵向上相邻的刀片结构均不对齐；所述基体和刀片结构均为高分子聚合物材质，在所述刀片结构表面设置有疏水层，所述疏水层为纳米ZnO层；所述三棱锥体形状的锐角方向和船头的方向一致。
2.权利要求1所述船体减阻微纳米复合结构的制备方法，其特征在于，包括步骤：
（1）将刀尖整齐排列，然后在塑料板表面压下或进行周期性地点焦，在塑料板表面压制出刀尖的反结构阵列；
（2）用软复型的方法，用PDMS复制塑料板表面的结构，得到类似于手术刀尖的微结构；
（3）用水热法在PDMS所制备的微结构表面制备纳米结构，经过氟硅烷处理之后，得到了具有低表面能的表面。
3.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，步骤(1)中，所述刀尖为手术刀的刀尖，在显微镜下用微加工方法焊在金属滚轮表面。
4.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，步骤(1)中，将手术刀片以30-60°的角度固定于三维平台，通过三维平台在PVC板表面进行周期性地点焦，通过x、y两个方向控制每一个微结构的间距，可以调控在50-500微米；通过z方向上调控深度，来调控结构的高度，在PVC板表面形成刀片反结构阵列。
5.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，步骤(1)中，所述塑料板为高密度聚乙烯板，塑料板上压制出的阵列中，相邻的刀尖反结构间距为50-500μm，在横向和纵向上相邻的刀片反结构均不对齐。
6.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述步骤(2)为，聚甲基硅氧烷和固化剂以15:1至6:1的比例混合，真空去掉内部的气泡，然后灌注在塑料板表面，经过1-3小时固化时间，揭开模板，得到PDMS基底的柔性的各向异性刀片结构。
7.根据权利要求2~6任一项所述的制备方法，其特征在于，所述步骤(3)纳米结构制备过程为：首先是制备晶种溶液和生长液，所述晶种溶液为：醋酸锌、单乙醇胺、乙二醇甲醚按1g：5~20mL：10~30mL混合；生长液为：0.1~0.5质量份六次甲基四胺、0.5~1质量份锌盐和100质量份水混合；
PDMS基底沾取晶种溶液并干燥，使PDMS表面修饰了晶种；将含有晶种的PDMS基底竖直放置在反应釜中，加入生长液，液态没过样品；在70~120℃条件下保持8~15小时，得到纳米结构；
修饰了纳米结构的PDMS基底放在密闭容器内，周围放置有氟硅烷，在真空条件下保持4-8小时，得到超疏水功能表面。
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Address before: 215316 station Y28, Room 401, room 1, No. 268, Dengyun Road, Yushan Town, Kunshan City, Suzhou City, Jiangsu Province (cluster registration)

Patentee before: Space liquid gold technology research (Kunshan) Co.,Ltd.