CN114212184B - 一种水下壁面气体束缚系统及制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种水下壁面气体束缚系统及制备方法，系统包括：绝缘层，用于涂覆在水下壁面的基底上；电极，设置在绝缘层上，电极包括正电极和负电极，正电极和负电极在绝缘层上交替设置；超疏水涂层，涂覆在电极上，且超疏水涂层间隔设置，电极的末端伸出到超疏水涂层外部。本发明通过交替设置的正负电极对水进行电解形成氢气和氧气，产生的氧气和氢气被束缚在超疏水涂层区域，并且被亲水区域隔开，气体能够在水下壁面上存留，会将水和固体壁面分开，从而起到减阻或者防腐蚀的目的。本发明不需要外部气源供给，并且亲/疏水复合阵列结构排布，能够起到长久稳定气膜的作用，而且正负电极交替设置，加工难度低，有利于工程应用。
Description
技术领域
本发明涉及水下表面处理技术领域，特别涉及一种水下壁面气体束缚系统及制备方法。
背景技术
水下航行器和水面舰艇在水下的壁面上封存的气膜能够在降低其摩擦阻力的同时提升其防腐蚀性能。通过技术手段尽可能长久、稳定地维持气体在水下壁面的存在时间具有重要的工程意义。常规水下壁面产气或封存气膜的方式有空化产气、外部通气、超疏水涂层束缚气体等。
发明专利《一种超空泡水下航行器》(申请号：201710895504.8)提供一种带有环形裙部的超空泡航行器，通过改善航行体的结构设计，有效实现航行体在高速航行时稳定前段形成的超空泡，降低航行体的运行阻力，但是该方法依赖于航行器高速航行所产生的空化气体，难以适用于静止或者低速物体。发明专利《船舶气膜减阻节能船底装置》(申请号：201510136084.6)提出通过添加横向导流板装置，利用船上风机向船底输入空气，从而在船底形成连续气膜达到减阻节能目的，但是此种方法仅适用于水面舰艇，对于深水航行器由于缺乏外部气源而不能适用此方法。发明专利《一种超疏水表面气膜减阻模型》(申请号：201820669635.4)公开了一种超疏水表面气膜减阻模型，通过活性金属充当原电池，在海水中自动生成氢气，气膜能够封存在超疏水表面的微纳米结构中，达到减阻效果，但是此种方法整个表面都均匀涂覆有超疏水涂层，以牺牲表面活性金属材料为代价，整个表面都束缚一层薄的气层，不能达到长久适用的目的。发明专利《一种基于电解水动态补气的超疏水表面气膜减阻模型》(申请号：201611112056.1)公开了一种基于电解水动态补气的超疏水表面减阻模型，通过内置于微结构内部的电极电解产生的气体实现超疏水表面气体的动态补充，但是该方法将电源正负极布置在同一个微结构内，给大面积加工带来不便。
发明内容
本发明实施例提供了一种水下壁面气体束缚系统及制备方法，用以解决现有技术中在整个水下壁面都涂覆超疏水图层带来的束缚时间较短以及将电源正负极布置在同一个微结构内带来的不便于加工的问题。
一方面，本发明实施例提供了一种水下壁面气体束缚系统，包括：
绝缘层，用于涂覆在水下壁面的基底上；
电极，设置在绝缘层上，电极包括正电极和负电极，正电极和负电极在绝缘层上交替设置；
超疏水涂层，涂覆在电极上，且超疏水涂层间隔设置，电极的末端伸出到超疏水涂层外部。
另一方面，本发明实施例还提供了一种水下壁面气体束缚系统的制备方法，包括：
在水下壁面的基底上涂覆绝缘层；
在绝缘层上设置电极，电极包括正电极和负电极，正电极和负电极在绝缘层上交替设置；
在电极上涂覆超疏水涂层，且超疏水涂层间隔设置，电极的末端伸出到超疏水涂层外部。
本发明中的一种水下壁面气体束缚系统及制备方法，具有以下优点：
通过交替设置的正负电极对水进行电解形成氢气和氧气，正极附近聚集氧气同时负极附近聚集氢气，产生的氧气和氢气被束缚在超疏水涂层区域，并且被亲水区域隔开，气体能够在水下壁面上存留，会将水和固体壁面分开，从而起到减阻或者防腐蚀的目的。本发明不需要外部气源供给，并且亲/疏水复合阵列结构排布，能够起到长久稳定气膜的作用，而且正负电极交替设置，加工难度低，有利于工程应用。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的一种水下壁面气体束缚系统的结构示意图；
图2为本发明实施例提供的一种水下壁面气体束缚系统的剖面示意图；
图3为本发明实施例提供的一种水下壁面气体束缚系统在工作状态的示意图。
附图标记说明：1-电源，2-绝缘层，3-正极区域，4-负极区域，5-电极。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
图1-3为本发明实施例提供的一种水下壁面气体束缚系统的结构示意图。本发明实施例提供了一种水下壁面气体束缚系统，包括：
绝缘层2，用于涂覆在水下壁面的基底上；
电极5，设置在绝缘层2上，电极5包括正电极和负电极，正电极和负电极在绝缘层2上交替设置；
超疏水涂层，涂覆在电极5上，且超疏水涂层间隔设置，电极5的末端伸出到超疏水涂层外部。
示例性地，基底可以为水下航行器的外表面或水面舰艇处在水下的表面，其可以采用绝缘材料制成，也可以采用金属材料制成。无论采用何种材料，为确保电极5和基底之间良好的绝缘，均需要在基底上设置绝缘层2。而基底可以为平面或曲面，在涂覆绝缘层2后，绝缘层2即可与基底贴合，并保持与基底相同的形状。
在本发明的实施例中，绝缘层2具有亲水性，而且电极5为惰性电极，即电极5采用惰性金属或合金制成，以减缓腐蚀。
超疏水涂层可以为条状或块状，如果为条状，则同一行或同一列中的多个电极5可以位于同一个超疏水涂层中，而如果超疏水涂层为块状，则每个电极5均处在一个超疏水涂层中。无论采用何种形状，超疏水涂层的宽度可以设置为2.7mm左右，该宽度为水的毛细长度，因此当正电极和负电极之间的水被电解生成等体积的氢气和氧气后，气体可以被束缚在超疏水涂层的表面，即被束缚的气体的最大尺寸可以达到水的毛细长度。超疏水涂层所在的区域形成超疏水区域，其中正电极所在的超疏水区域称为正极区域3，负电极所在的超疏水区域称为负极区域4，而绝缘层所在的区域形成亲水区域，超疏水区域与水的接触角大于120°，而亲水区域与水的接触角小于90°。由于各个超疏水区域被相邻的亲水区域包围，且每个超疏水区域中均具有电极5，在电源1的电源供应下水电解形成气体，在超疏水区域和绝缘层2之间的边界存在润湿性突变作用下，气体将被束缚在超疏水区域中，具体来说是氢气被束缚在负极区域4上，而氧气被束缚在正极区域3上。
采用本发明提供的束缚系统，可以通过控制电源1的接通时间和电压高低来控制产生气体的体积和速度。
本发明实施例还提供了一种水下壁面气体束缚系统的制备方法，该方法包括以下步骤：
S100、在水下壁面的基底上涂覆绝缘层2。
示例性地，在涂覆绝缘层2之前，还需要对基底进行清洗，清洗的方法包括：依次采用去离子水、无水乙醇和丙酮对基底进行清洗；使用干燥的氮气对清洗后的基底吹干。对基底进行清洗可以提升基底的清洁度，提高绝缘层2在基底上的附着性，而绝缘层2可以使用有机绝缘物质或无机绝缘物质制成。
S110、在绝缘层2上设置电极5，电极5包括正电极和负电极，正电极和负电极在绝缘层2上交替设置。
示例性地，电极5可以设置为阵列式，多个正电极或负电极可以设置为一行或一列，而一行或一列中的正电极或负电极可以连接在一起，进而统一与电源1连接。
S120、在电极5上涂覆超疏水涂层，且超疏水涂层间隔设置，电极5的末端伸出到超疏水涂层外部。
示例性地，该步骤具体包括：在绝缘层2上设置掩膜，掩膜上具有孔状区域，每个孔状区域均至少对应一个电极5的露出端；在孔状区域中涂覆超疏水涂层；待超疏水涂层凝固后，揭离掩膜。
在本发明的实施例中，掩膜可以使用胶带，而孔状区域可以为矩形或圆形等各种形状。而超疏水涂层中具有微纳米颗粒。
尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。
Claims (7)
1.一种水下壁面气体束缚系统，其特征在于，包括：
绝缘层(2)，用于涂覆在水下壁面的基底上，所述绝缘层(2)具有亲水性；
电极(5)，设置在所述绝缘层(2)上，所述电极(5)包括正电极和负电极，所述正电极和负电极在所述绝缘层(2)上交替设置；
超疏水涂层，涂覆在所述电极(5)上，且所述超疏水涂层间隔设置，所述电极(5)的末端伸出到所述超疏水涂层外部。
2.根据权利要求1所述的一种水下壁面气体束缚系统，其特征在于，所述电极(5)为惰性电极。
3.权利要求1-2任一项所述的一种水下壁面气体束缚系统的制备方法，其特征在于，包括：
在水下壁面的基底上涂覆绝缘层(2)；
在所述绝缘层(2)上设置电极(5)，所述电极(5)包括正电极和负电极，所述正电极和负电极在所述绝缘层(2)上交替设置；
在所述电极(5)上涂覆超疏水涂层，且所述超疏水涂层间隔设置，所述电极(5)的末端伸出到所述超疏水涂层外部。
4.根据权利要求3所述的一种水下壁面气体束缚系统的制备方法，其特征在于，在水下壁面的基底上涂覆绝缘层(2)之前，还包括：对基底进行清洗。
5.根据权利要求4所述的一种水下壁面气体束缚系统的制备方法，其特征在于，所述对基底进行清洗，包括：
依次采用去离子水、无水乙醇和丙酮对基底进行清洗；
使用干燥的氮气对清洗后的基底吹干。
6.根据权利要求3所述的一种水下壁面气体束缚系统的制备方法，其特征在于，在所述电极(5)上涂覆超疏水涂层时，包括：
在所述绝缘层(2)上设置掩膜，所述掩膜上具有孔状区域，每个所述孔状区域均至少对应一个所述电极(5)的露出端；
在所述孔状区域中涂覆所述超疏水涂层；
待所述超疏水涂层凝固后，揭离所述掩膜。
7.根据权利要求3所述的一种水下壁面气体束缚系统的制备方法，其特征在于，还包括：
将所述正电极和负电极分别与电源的正极和负极连接。
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