CN112552793A - 一种用于大型旋成体的仿生减阻涂层及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

一种用于大型旋成体的仿生减阻涂层及其制备方法属表面减阻技术领域，该涂层涂料由树脂、稀释剂、颜料、超细金属粉体、低表面能助剂和固化剂组成，且涂层表面具有微米级凹坑结构，通过改善壁面边界层流场结构，能有效地降低壁面摩擦阻力。仿生减阻涂层的制备是将涂料喷涂在不同温度的旋成体上，快速制备不同尺度的凹坑涂层表面，使航行体适应不同工况状态下的减阻。仿生减阻涂层可以解决导弹、炮弹、鱼雷、潜艇等高速航行体航行时的减阻问题，并且具有经济实用、快速制备等优点。本发明所制备的大型旋成体的仿生减阻涂层无毒无放射性，不会对环境产生不良影响。

Description

一种用于大型旋成体的仿生减阻涂层及其制备方法
技术领域
本发明属于表面减阻技术领域，具体涉及一种用于大型旋成体的仿生减阻涂层及其制备方法。
背景技术
巡航导弹、炮弹、鱼雷、潜艇等高速航行体航行时，与表面相关的摩擦阻力占据主导地位，是影响其能耗的重要因素。因此，减小航行体航行过程中的摩擦阻力意味着油耗下降、航速提高、航程增加，是降低成本，节约能源的重要途径。
航行体在航行中的减阻问题，实质上是有关流体减阻技术的研究与应用。高速行进的航行体表面处于湍流状态，所以近壁面湍流边界层控制减阻技术已引起了国内外研究者的广泛关注。对于流场中的航行体来说，非光滑表面取得的减阻效果已被国内外相关研究所证实。这种被动流场控制方法以保持物体的流线型、减小表面粗糙度为主的减阻方法，即在形体减阻达到瓶颈之后仍可以实现一定程度的减阻。仿生非光滑结构主要为在表面上加工或制备沟槽型、凸包型、凹坑型等形态，来适应流场的变化，以达到减阻的目的。非光滑减阻表面的制备主要有激光刻蚀法、飞秒激光加工、微喷射电解腐蚀法、掩膜电解腐蚀法、掩膜电铸法、切削磨削法、微电火花加工法和滚压法等，但是这些方法加工时间长，不能大面积快速制备，难以满足大批量的生产需要等问题。
为了解决上述存在的问题，通过在不同温度的航行体上快速制备尺度不同的仿生微结构减阻表面，改善近壁面流场特性，减小壁面切应力，降低航行过程中的摩擦阻力，使不同的工件在不同的工况状态下达到最佳减阻效果。
发明内容
本发明的目的在于提供一种用于大型旋成体的仿生减阻涂层及其制备方法，通过喷涂不同温度的旋成体，快速制备出具有微米级凹坑结构的仿生减阻涂层，该涂层能够改善壁面边界层流场结构，有效降低摩擦阻力，使航行体在运行时适应不同工况下的减阻。
本发明的用于大型旋成体的仿生减阻涂层，各组份按质量百分比为：树脂50～80％、稀释剂15～25％、颜料2～4％、超细金属粉体2～4％、低表面能助剂1～5％、固化剂5～10％，且所述仿生减阻涂层具有微米级的凹坑结构。
所述树脂为环氧树脂、氟碳树脂、聚丙烯酸类树脂、有机硅树脂中的一种；所述稀释剂为甲酸丁酯、乙酸丁酯、丙酸丁酯、醋酸乙酯、乙二醇-乙醚、甲苯、二甲苯中的一种；所述颜料为酞青绿、酞青蓝、永固黄、耐晒大红、金光红、颜料红、颜料黄中的一种；所述超细金属粉体为铜、锌、银、铁中的一种；所述低表面能助剂为聚二甲基硅氧烷树脂、聚氨酯树脂、氟硅树脂中的一种；所述固化剂为六亚甲基二异氰酸酯、间苯二甲胺、二氨基二苯甲烷中的一种。
本发明的用于大型旋成体的仿生减阻涂层的制备方法，包括下列步骤：
1.1清洁旋成体表面，包括下列步骤：
1.1.1用20～30％的丙酮溶液淋洗旋成体，去除表面的油污；
1.1.2用10～20％铬酸、15～30％硫酸、10～15％氢氟酸的混合溶液清洗旋成体，去除表面的氧化膜；
1.1.3用75～95％的无水乙醇冲洗旋成体表面，用氮气将旋成体表面吹干，并将旋成体表面分别加热到100℃及以上，以备待用；
1.2取15～25％的稀释剂、2～4％的颜料、2～4％的超细金属粉体、50～80％的树脂、1～5％的低表面能助剂、5～10％的固化剂，按照上述顺序依次加入烧杯中，用转速为1000～2000r/min的电动搅拌机充分搅拌30～60min，静置熟化15～30min，得到减阻涂料；
1.3控制喷涂的工艺参数：喷枪口径为1.1～1.5mm，且保持与旋成体表面水平平行，喷涂的压力为0.3～0.6MPa，喷涂的距离为10～30cm，环境温度为15～25℃，环境湿度小于70％；
1.4将步骤1.2得到的减阻涂料分别喷涂在不同温度的旋成体表面，室温固化2小时以上，形成具有凹坑结构的仿生减阻涂层。
超细金属粉体的直径为15～30μm，减阻涂层的凹坑结构的凹坑直径为280～900μm，凹坑深度为35～135μm，凹坑覆盖率为3～5％，减阻涂层的厚度为40～140μm。
本发明的减阻原理是：当减阻涂料喷涂在具有高温航行体表面的过程中，涂膜底层与超细金属粉体的温度相对于表层较高，导致由涂膜底层和超细金属粉体到表层温度逐渐下降的梯度，温度越低表面张力越大。由温度梯度所造成的表面张力梯度是引发涂层表面发生界面流和界面变形的主要驱动力，从而形成具有凹坑型的减阻涂层表面。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
通过喷涂不同温度的航行体表面，得到具有尺度大小不同的凹坑减阻涂层，该减阻涂层能改变近壁面湍流结构，使得航行体表面由湍流转变为层流状态，减小壁面剪切应力，使航行体的摩擦阻力减小，实现最佳的减阻效果。
附图说明
图1为大型旋成体的仿生减阻涂层的制备方法流程图
图2为100℃的旋成体减阻喷涂表面的超景深表征图
图3为110℃的旋成体减阻喷涂表面的超景深表征图
图4为120℃的旋成体减阻喷涂表面的超景深表征图
其中：A.B.C及类似黑色区域为喷涂表面凹坑
具体实施方式
下面将结合附图和实施例对本发明做进一步的详细描述。
本发明的用于大型旋成体的仿生减阻涂层，各组份按质量百分比为：树脂50～80％、稀释剂15～25％、颜料2～4％、超细金属粉体2～4％、低表面能助剂1～5％、固化剂5～10％，且所述仿生减阻涂层具有微米级的凹坑结构。
所述树脂为环氧树脂、氟碳树脂、聚丙烯酸类树脂、有机硅树脂中的一种；所述稀释剂为甲酸丁酯、乙酸丁酯、丙酸丁酯、醋酸乙酯、乙二醇-乙醚、甲苯、二甲苯中的一种；所述颜料为酞青绿、酞青蓝、永固黄、耐晒大红、金光红、颜料红、颜料黄中的一种；所述超细金属粉体为铜、锌、银、铁中的一种；所述低表面能助剂为聚二甲基硅氧烷树脂、聚氨酯树脂、氟硅树脂中的一种；所述固化剂为六亚甲基二异氰酸酯、间苯二甲胺、二氨基二苯甲烷中的一种。
本发明的用于大型旋成体的仿生减阻涂层的制备方法，包括下列步骤：
1.1清洁旋成体表面，包括下列步骤：
1.1.1用20～30％的丙酮溶液淋洗旋成体，去除表面的油污；
1.1.2用10～20％铬酸、15～30％硫酸、10～15％氢氟酸的混合溶液清洗旋成体，去除表面的氧化膜；
1.1.3用75～95％的无水乙醇冲洗旋成体表面，用氮气将旋成体表面吹干，并将旋成体表面分别加热到100℃及以上，以备待用；
1.2取15～25％的稀释剂、2～4％的颜料、2～4％的超细金属粉体、50～80％的树脂、1～5％的低表面能助剂、5～10％的固化剂，按照上述顺序依次加入烧杯中，用转速为1000～2000r/min的电动搅拌机充分搅拌30～60min，静置熟化15～30min，得到减阻涂料；
1.3控制喷涂的工艺参数：喷枪口径为1.1～1.5mm，且保持与旋成体表面水平平行，喷涂的压力为0.3～0.6MPa，喷涂的距离为10～30cm，环境温度为15～25℃，环境湿度小于70％；
1.4将步骤1.2得到的减阻涂料分别喷涂在不同温度的旋成体表面，室温固化2小时以上，形成具有凹坑结构的仿生减阻涂层。
超细金属粉体的直径为15～30μm，减阻涂层的凹坑结构的凹坑直径为280～900μm，凹坑深度为35～135μm，凹坑覆盖率为3～5％，减阻涂层的厚度为40～140μm。
实施例1
如图1，根据上述的一种用于大型旋成体的仿生减阻涂层及其制备方法，清洁导弹整身：首先用20％的丙酮溶液淋洗导弹，去除表面的油污，再用10％铬酸、15％硫酸、10％氢氟酸的混合溶液清洗导弹，去除表面的氧化膜，最后用75％的无水乙醇冲洗导弹表面，用氮气将表面吹干，并将导弹表面加热到100℃，以备待用。按照质量百分比，选取17％的甲酸丁酯，4％的酞青绿，3％的直径为15μm的铜粉，65％的环氧树脂，3％的聚二甲基硅氧烷树脂，8％的六亚甲基二异氰酸酯，依照上述顺序依次加入烧杯中，用转速为1000r/min的电动搅拌机充分搅拌30min，静置熟化15min，得到减阻涂料。喷枪口径选为1.2mm，且保持与导弹表面水平平行，喷涂的压力为0.3MPa，喷涂的距离为10cm，环境温度为15℃，环境湿度为50％。将减阻涂料喷涂在温度为100℃的导弹表面，室温固化2小时，形成了具有凹坑结构的仿生减阻涂层，如图2所示，涂层厚度为40μm，凹坑直径为280μm，凹坑深度为35μm，凹坑覆盖率为3％。当导弹速度为800km/h时，所述仿生减阻涂层减阻率为5.29％。
实施例2
如图1，根据上述的一种用于大型旋成体的仿生减阻涂层及其制备方法，清洁炮弹整身：首先用25％的丙酮溶液淋洗炮弹，去除表面的油污，再用15％铬酸、20％硫酸、12.5％氢氟酸的混合溶液清洗炮弹，去除表面的氧化膜，最后用85％的无水乙醇冲洗炮弹表面，用氮气将表面吹干，并将炮弹表面加热到110℃，以备待用。按照质量百分比，选取20％的乙酸丁酯，3％的酞青蓝，3％的直径为15μm的锌粉，61％的氟碳树脂，4％的聚氨酯树脂，9％的间苯二甲胺，依照上述顺序依次加入烧杯中，用转速为1500r/min的电动搅拌机充分搅拌40min，静置熟化20min，得到减阻涂料。喷枪口径选为1.3mm，且保持与炮弹表面水平平行，喷涂的压力为0.4MPa，喷涂的距离为15cm，环境温度为20℃，环境湿度为60％。将减阻涂料喷涂在温度为110℃的炮弹表面，室温固化3小时，形成了具有凹坑结构的仿生减阻涂层，如图3所示，涂层厚度为90μm，凹坑直径为360μm，凹坑深度为85μm，凹坑覆盖率为3.94％。当炮弹速度为390km/h时，所述仿生减阻涂层减阻率为4.15％。
实施例3
如图1，根据上述的一种用于大型旋成体的仿生减阻涂层及其制备方法，清洁鱼雷整身：首先用30％的丙酮溶液淋洗鱼雷，去除表面的油污，再用20％铬酸、25％硫酸、10％氢氟酸的混合溶液清洗鱼雷，去除表面的氧化膜，最后用95％的无水乙醇冲洗鱼雷表面，用氮气将表面吹干，并将鱼雷表面加热到120℃，以备待用。按照质量百分比，选取25％的丙酸丁酯，3％的永固黄，4％的直径为15μm的银粉，59％的聚丙烯酸类树脂，4％的氟硅树脂，9％的二氨基二苯甲烷，依照上述顺序依次加入烧杯中，用转速为2000r/min的电动搅拌机充分搅拌50min，静置熟化30min，得到减阻涂料。喷枪口径选为1.5mm，且保持与鱼雷表面水平平行，喷涂的压力为0.5MPa，喷涂的距离为20cm，环境温度为25℃，环境湿度为70％。将减阻涂料喷涂在温度为120℃的鱼雷表面，室温固化4小时，形成了具有凹坑结构的仿生减阻涂层，如图4所示，涂层厚度为140μm，凹坑直径为900μm，凹坑深度为135μm，凹坑覆盖率为5％。当鱼雷速度为350km/h时，所述仿生减阻涂层减阻率为6.43％。

Claims (5)

1.一种用于大型旋成体的仿生减阻涂层，其特征在于，各组份按质量百分比为：树脂50～80％、稀释剂15～25％、颜料2～4％、超细金属粉体2～4％、低表面能助剂1～5％、固化剂5～10％，且所述仿生减阻涂层具有微米级的凹坑结构；所述树脂为环氧树脂、氟碳树脂、聚丙烯酸类树脂、有机硅树脂中的一种；所述稀释剂为甲酸丁酯、乙酸丁酯、丙酸丁酯、醋酸乙酯、乙二醇-乙醚、甲苯、二甲苯中的一种；所述颜料为酞青绿、酞青蓝、永固黄、耐晒大红、金光红、颜料红、颜料黄中的一种；所述超细金属粉体为铜、锌、银、铁中的一种；所述低表面能助剂为聚二甲基硅氧烷树脂、聚氨酯树脂、氟硅树脂中的一种；所述固化剂为六亚甲基二异氰酸酯、间苯二甲胺、二氨基二苯甲烷中的一种。
2.一种用于大型旋成体的仿生减阻涂层的制备方法，其特征在于，包括下列步骤：
2.1清洁旋成体表面，包括下列步骤：
2.1.1用20～30％的丙酮溶液淋洗旋成体，去除表面的油污；
2.1.2用10～20％铬酸、15～30％硫酸、10～15％氢氟酸的混合溶液清洗旋成体，去除表面的氧化膜；
2.1.3用75～95％的无水乙醇冲洗旋成体表面，用氮气将旋成体表面吹干，并将旋成体表面分别加热到100℃及以上，以备待用；
2.2取15～25％的稀释剂、2～4％的颜料、2～4％的超细金属粉体、50～80％的树脂、1～5％的低表面能助剂、5～10％的固化剂，按照上述顺序依次加入烧杯中，用转速为1000～2000r/min的电动搅拌机充分搅拌30～60min，静置熟化15～30min，得到减阻涂料；
2.3控制喷涂的工艺参数：喷枪口径为1.1～1.5mm，且保持与旋成体表面水平平行，喷涂的压力为0.3～0.6MPa，喷涂的距离为10～30cm，环境温度为15～25℃，环境湿度小于70％；
2.4将步骤2.2得到的减阻涂料分别喷涂在不同温度的旋成体表面，室温固化2小时以上，形成具有凹坑结构的仿生减阻涂层。
3.按权利要求1所述的用于大型旋成体的仿生减阻涂层，其特征在于，所述超细金属粉体的直径为15～30μm。
4.按权利要求1所述的用于大型旋成体的仿生减阻涂层，其特征在于，所述减阻涂层的凹坑结构的凹坑直径为280～900μm，凹坑深度为35～135μm，凹坑覆盖率为3～5％。
5.按权利要求1所述的用于大型旋成体的仿生减阻涂层，其特征在于，所述减阻涂层的厚度为40～140μm。
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