CN113247174A - 一种具有仿生多元结构的防雾防冰船舶甲板 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种具有仿生多元结构的防雾防冰船舶甲板，包括甲板本体和设于甲板本体上表面用于防雾防冰的微纳结构体；微纳结构体由若干间隔排列的梯形凸块组成，梯形凸块的侧面设有用于排斥雾滴的圆弧凸起，梯形凸块的顶面设有用于防止雾滴铺开的粒状凸起。本发明将船舶甲板布置为上下两层刚柔复合结构，在刚性层的外表面布置微纳结构体，使甲板周围的小雾滴快速合并为大雾滴，降低了小雾滴驻留在甲板表面的概率，缩短了大雾滴撞击甲板时弹跳过程所需的时间，充分减小了雾滴与甲板表面的接触面积，从而防止雾/冰的形成，对油轮、集装箱船、巡洋舰、驱逐舰、近海勘探船和破冰船等各种作业船的甲板结/覆冰现象均有着潜在的应用前景。
Description
技术领域
本发明属于海洋船舶用甲板，具体涉及一种具有仿生多元结构的防雾防冰船舶甲板。
背景技术
极地海洋环境恶劣，表现为高湿低温，这种气候条件下形成的覆冰给造船、航运、科考以及军事等领域带来重大影响，特别是甲板结冰引起的船舶航行稳性问题逐渐成为焦点，水汽冷凝和海水飞溅是造成船舶甲板表面形成覆冰的主要因素。
目前船舶防除冰方法主要包括机械破冰法、热力融冰法、化学除冰法等。然而，机械破冰法会对一些精密设备造成损坏，且效率低，仅可作为备用方法；热力融冰法除了能量消耗巨大外，还存在二次结冰的风险，一般仅用于天线、舷窗等部位的除冰，对船舶甲板并不适用；化学除冰法成本较高，对装备腐蚀严重，同时还会对海洋环境造成污染，特别是位于主甲板下方（在积冰区域）和晶格结构下方的船舶区域需要更专用且固定式的喷涂机构。综上，现有的船舶防除冰方法存在能耗高、效率低、污染环境及受时间空间的限制等问题，尚无法从根本上有效解决船舶甲板面临的复杂结/覆冰现象。
发明内容
发明目的：本发明的目的在于提供一种用于消除水汽冷凝和海水飞溅造成的结/覆冰现象的船舶甲板。
技术方案：本发明的一种具有仿生多元结构的防雾防冰船舶甲板，包括甲板本体和设于甲板本体上表面用于防雾防冰的微纳结构体；所述微纳结构体由若干间隔排列的梯形凸块组成，所述梯形凸块的侧面设有用于排斥雾滴的圆弧凸起，所述梯形凸块的顶面设有用于防止雾滴铺开的粒状凸起。
上述的结构中，微纳结构体可以使甲板周围的小雾滴快速合并为大雾滴，降低了小雾滴驻留在甲板表面的概率，缩短了大雾滴撞击甲板时弹跳过程所需的时间。其中，圆弧凸起促使小雾滴沿梯形凸块的侧面向上移动至梯形凸块的顶面，随后小雾滴迅速合并成大雾滴，而梯形凸起顶面的粒状凸起结构具有极低的表面能，与大雾滴相互作用阻止了大雾滴在表面的铺展，减小了雾滴与顶面的接触面积，促进了大雾滴开始脱离甲板的表面，使上层甲板保持干燥，有效防止雾/冰的形成。
进一步的，所述圆弧凸起沿着梯形凸块的侧面等间隔平行排布，相邻圆弧凸起的间距为300~500 nm；圆弧凸起的高度为500~800 nm，圆弧凸起的宽度为700~900 nm。
进一步的，所述粒状凸起沿着梯形凸块的顶面均匀排布，相邻的粒状凸起之间的间距为200~400 nm，粒状凸起的直径为200~300 nm，粒状凸起的高度为300~500 nm。
进一步的，所述梯形凸块顶面的宽度为20~80 μm，梯形凸块的高度为5~9 μm；相邻的梯形凸块的间距为4~8μm。相邻梯形凸块之间的间隙表面设有用于排斥雾滴的圆弧凸起。这里的圆弧凸起与梯形凸块侧面的圆弧凸起相对应，尺寸结构完全相同，作用在于可以进一步达到排斥小雾滴。
进一步的，所述甲板本体包括上下两层用于提供强度的刚性层和设置在刚性层之间的用于保持甲板表面温度的柔性层。甲板本体布置为上下两层刚柔复合结构，上层的刚性层与微纳结构体一体成型，用于外部的防雾和防结冰，中间的柔性层作为保温层，不仅能够维持上层甲板表面的温度，而且缓释了水滴撞击甲板时的速度和能量，极大延缓甲板表面的结冰时间；下层的刚性层与上层的刚性层材质相同，主要用于承重与固定甲板。
进一步的，所述刚性层采用金属板，所述柔性层采用橡塑板；所述金属板与橡塑板之间通过胶接固定。其中，所述刚性层的厚度为200~240 mm，所述柔性层的厚度为20~100mm。
本发明的原理为：本发明在甲板本体上层设置微纳米结构，使得雾滴与船舶甲板的粘附力极低，采用梯形凸块由于润湿梯度的存在，使得雾滴在拉普拉斯压力和圆弧凸起的排斥力的共同作用下自发地沿梯形凸块的侧面向远离甲板表面的方向的移动，随后在雾滴分子间内聚力的作用下相邻的雾滴聚集形成大雾滴，并在粒状凸起的排斥作用下，大雾滴从甲板表面脱落，避免了在甲板表面的铺展，此脱落过程循环往复，雾滴驻留在甲板表面的概率和面积明显减少，有效抑制雾/冰的形成。
有益效果：与现有技术相比，本发明的具有如下显著优点：(1) 本发明将船舶甲板布置为上下两层刚柔复合结构，且在刚性层的外表面布置仿生耐寒植物多元结构，可以使甲板周围的小雾滴快速合并为大雾滴，降低了小雾滴驻留在甲板表面的概率，缩短了大雾滴撞击甲板时弹跳过程所需的时间，充分减小了雾滴与甲板表面的接触面积，从而防止雾/冰的形成；(2) 本发明甲板本体的中层采用柔性橡塑层，不仅能够延长甲板的使用寿命，而且能够维持上层甲板表面的温度，极大延缓甲板表面的结冰时间，由此制成的船舶甲板样件经过测试，防雾性能提高了50%~75%，结冰时间延迟了35%~60%；(3) 本发明受自然界耐寒植物多元结构的启发，从根本上消除水汽冷凝和海水飞溅造成的船舶甲板结/覆冰现象，对油轮、集装箱船、巡洋舰、驱逐舰、近海勘探船和破冰船等各种作业船的甲板结/覆冰现象均有着潜在的应用前景。
附图说明
图1为本发明船舶甲板的整体结构示意图；
图2为本发明局部放大结构示意图；
图3为图2的局部放大结构示意图；
图4为图3的局部放大结构示意图；
图5为本发明船舶甲板的防雾/冰机理图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明的技术方案做进一步详细说明。
参见图1的一种具有仿生多元结构的防雾防冰船舶甲板，包括甲板本体1和设于甲板本体上表面用于防雾耐寒的微纳结构体2。参见图2，甲板本体1包括上下两层刚性层11和设置在刚性层11之间的柔性层12，上下两层刚性层11的材质相同，刚性层11采用金属板，主要材质为铁、镍和铬，柔性层12采用铝箔橡塑板，能够维持上层甲板的温度，同时还能具有优异的抗腐蚀效果，延长甲板的使用寿命。刚性层11与柔性层12之间通过酚醛树脂胶粘剂进行连接，采取滚涂的方法涂布胶粘剂，保证厚薄合适，刚性层11的厚度为220mm，柔性层12的厚度为60mm。参加图3和图4，微纳结构体2由若干间隔排列的梯形凸块21组成，梯形凸块21顶面的宽度为50 μm，梯形凸块21的高度为7 μm；相邻的梯形凸块21的间距为6 μm，相邻梯形凸块21之间的间隙表面设有圆弧凸起211，圆弧凸起211等间隔布置；在梯形凸块21的侧面上也设有用于排斥雾滴的圆弧凸起211，圆弧凸起211沿着梯形凸块21的侧面等间隔平行排布，相邻圆弧凸起211的间距为400 nm；圆弧凸起211的高度为650 nm，圆弧凸起211的宽度为800 nm；梯形凸块21的顶面设有用于防止雾滴铺开的粒状凸起212，粒状凸起212沿着梯形凸块21的顶面均匀排布，相邻的粒状凸起212之间的间距为300 nm，粒状凸起212的直径为250nm，粒状凸起212的高度为400 nm。在上层的刚性层11金属板表面一体成型制备微纳结构体2，具体制备过程为：采用电火花线切割在金属表面制备梯形凸块21，根据编程模式的形状调整电极线的供给路径，在梯形凸块21上获得具有圆弧凸起结构的双级结构，随后经碱催化水热反应得到粒状凸起结构，最终形成多元结构表面。
参见图5，本实施例的船舶甲板具有仿生微米级圆弧结构和纳米级粒状结构，雾滴与船舶甲板的粘附力极低。参见(a)表示的第一阶段，梯形凸块21与圆弧凸起211构成梯度复合表面，由于润湿梯度的存在，在拉普拉斯压力和圆弧凸起211排斥力F1的共同作用下，雾滴a会自发地沿梯形凸块21的侧面移动输送到梯形凸块21顶面的粒状凸起212上，同时在排斥力F1和雾滴分子间内聚力F2的作用下，粒状凸起212上的雾滴a会与甲板上层1外表面的小雾滴聚集形成大雾滴b，随后参见(b)的第二阶段，在排斥力F1、内聚力F2 和表面张力F3的作用下，相邻粒状凸起212上的雾滴b会迅速合并成大雾滴c，接着参见(c)表示的第三阶段，在排斥力F1、内聚力F2、表面张力F3和粒状凸起212排斥力F4的共同作用下，导致粒状凸起212上表面能极低，因此雾滴c很容易从多元结构表面脱落，此脱落过程循环往复。综上，相对于平板结构的船舶甲板，雾滴驻留在甲板表面的概率和面积明显减少，有效抑制雾/冰的形成。经过测试，防雾性能提高了50%~75%，结冰时间延迟了35%~60%。
Claims (9)
1.一种具有仿生多元结构的防雾防冰船舶甲板，其特征在于：包括甲板本体(1)和设于甲板本体上表面用于防雾防冰的微纳结构体(2)；所述微纳结构体由若干间隔排列的梯形凸块(21)组成，所述梯形凸块(21)的侧面设有用于排斥雾滴的圆弧凸起(211)，所述梯形凸块(21)的顶面设有用于防止雾滴铺开的粒状凸起(212)。
2.根据权利要求1所述的具有仿生多元结构的防雾防冰船舶甲板，其特征在于：所述圆弧凸起(211)沿着梯形凸块(21)的侧面等间隔平行排布，相邻圆弧凸起(211)的间距为300~500 nm；圆弧凸起(211)的高度为500~800 nm，圆弧凸起(211)的宽度为700~900 nm。
3.根据权利要求1所述的具有仿生多元结构的防雾防冰船舶甲板，其特征在于：所述粒状凸起(212)沿着梯形凸块(21)的顶面均匀排布，相邻的粒状凸起(212)之间的间距为200~400 nm，粒状凸起(212)的直径为200~300 nm，粒状凸起(212)的高度为300~500 nm。
4.根据权利要求1所述的具有仿生多元结构的防雾防冰船舶甲板，其特征在于：所述梯形凸块(21)顶面的宽度为20~80 μm，梯形凸块(21)的高度为5~9 μm；相邻的梯形凸块(21)的间距为4~8μm。
5.根据权利要求4所述的具有仿生多元结构的防雾防冰船舶甲板，其特征在于：相邻梯形凸块(21)之间的间隙表面设有用于排斥雾滴的圆弧凸起(211)。
6.根据权利要求1所述的具有仿生多元结构的防雾防冰船舶甲板，其特征在于：所述甲板本体(1)包括上下两层用于提供强度的刚性层(11)和设置在刚性层(11)之间的用于保持甲板表面温度的柔性层(12)。
7.根据权利要求6所述的具有仿生多元结构的防雾防冰船舶甲板，其特征在于：上层的刚性层(11)与微纳结构体(2)一体成型。
8.根据权利要求6所述的具有仿生多元结构的防雾防冰船舶甲板，其特征在于：所述刚性层(11)采用金属板，所述柔性层(12)采用橡塑板；所述金属板与橡塑板之间通过胶接固定。
9.根据权利要求8所述的具有仿生多元结构的防雾防冰船舶甲板，其特征在于：所述刚性层(11)的厚度为200~240 mm，所述柔性层(12)的厚度为20~100 mm。
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