CN116853411B - 一种减阻功能表面微结构及其成型方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种减阻功能表面微结构及其成型方法，包括基底，外表面上并行开设有若干微沟槽；微气泡发生组件，设置在若干微沟槽内；疏水层，覆盖在基底外表面上；其中，微气泡发生组件通过电极电解水的方式产生微气泡；疏水层为微纳结构或者疏水涂层或者二者的组合；将微气泡、微沟槽及疏水层进行了有机的结合实现减阻功能最大化，使微气泡发生组件通过电极电解水的方式在微沟槽内产生微气泡，不仅制作方法简单，而且保证微气泡持续生成且能够延长微气泡在基底表面的停留时间，同时电极原位电解海水还能够产生氯气，能够降低海生物等杂质附着在基底外表面上，能够降低微结构丧失疏水减阻能力的情况发生。

Description

一种减阻功能表面微结构及其成型方法

技术领域

本发明涉及水中航行器表面减阻技术领域，尤其涉及一种减阻功能表面微结构及其成型方法。

背景技术

当前加快建设海洋强国已成为我国的重要发展战略，水下航行体作为海洋勘探、运输、搜救等活动的重要载体，在海洋经济建设和海洋国防中发挥着重要作用。水下航行体在行进时受到的压差阻力和摩擦阻力会严重影响航行速度，其带来的能量消耗不仅制约了航程，也限制了水下航行体负载能力与机动性。为了实现降低压差阻力和摩擦阻力对航行器航行速度的影响，除了对水下航行体形状进行优化，还需要对摩擦阻力进行有效的控制。

有效降低表面摩擦阻力的方法主要有沟槽微结构、超疏水微纳结构、微气泡等。沟槽微结构是特征尺寸在1～100微米量级、具有特定功能的微小拓扑形状，如微沟槽阵列、微坑阵列、微金字塔阵列结构等。这些微结构通常分布于10～1000毫米量级的跨尺度机械表面上，能够改变零件表面摩擦、润滑、粘附、耐磨性及流体力学性能等物理特性，从而显著提高机械产品和功能零部件的功能特性，包括：运行效率、能耗、润滑密封、工作噪声、节材轻量化、使役寿命等。将沟槽微结构、超疏水微纳结构及微气泡应用在水下装备的水下减阻功能中具有十分可观的前景。

但上述各种类型的微结构主要的优缺点在于：沟槽微结构减阻实用性好，寿命长，但减阻率一般，适用于中低航速工况，航速过大可能增阻；超疏水微纳结构减阻效果较好，但鲁棒性不佳，易发生减阻功能湮灭甚至是增阻现象；微气泡减阻率高，可用于高航速工况，但需解决气源的持续供给、气泡的稳定驻留、气膜的可控铺展等问题。可见，目前的单一减阻方案都或多或少存在难以有效应用的问题。

中国专利CN104854204B公开了一种摩擦阻力减少船舶的涂料组合物和摩擦阻力减少系统，结合了疏水涂层与微气泡的减阻方案；中国专利CN115258033A公开了一种微沟槽仿生减阻结构及其制备方法，结合了沟槽微结构与微气泡的减阻方案。但上述方案都并未有效的解决微气泡气源持续供给以及微气泡稳定驻留的问题。

发明内容

有鉴于此，本发明提出了一种减阻功能表面微结构及其成型方法，用于解决沟槽微结构、超疏水微纳结构及微气泡结合的减阻方案难以有效解决微气泡气源持续供给以及微气泡稳定驻留的问题。

本发明的技术方案是这样实现的：本发明提供了一种减阻功能表面微结构，包括基底，外表面上并行开设有若干微沟槽；微气泡发生组件，设置在若干微沟槽内；疏水层，覆盖在基底外表面上；其中，微气泡发生组件通过电极电解水的方式产生微气泡；疏水层为微纳结构或者疏水涂层或者二者的组合。

在以上技术方案的基础上，优选的，微气泡发生组件包括第一阵列、第二阵列及电源；第一阵列及第二阵列分别设置在若干微沟槽内，第一阵列与第二阵列间隔设置，第一阵列及第二阵列分别连接电源的正负极。

更进一步优选的，第一阵列包括第一转接部，设置在基底外表面上；至少一个第一电极部；第二阵列包括，第二转接部，设置在基底外表面上并与第一转接部间隔设置；至少一个第二电极部；其中，至少一个第一电极部及至少一个第二电极部交替设置在若干微沟槽内；各第一电极部同时连接第一转接部，各第二电极部同时连接第二转接部；第一转接部的其中一端及第二转接部的其中一端分别连接电源的正负极。

更进一步优选的，第一转接部及第二转接部延伸方向均为微沟槽延伸方向的垂直方向，第一转接部及第二转接部之间设置各第一电极部及第二电极部；各第一电极部的端部与第二转接部之间留有间隔；各第二电极部的端部与第一转接部之间留有间隔。

在以上技术方案的基础上，优选的，微沟槽的径向断面形状为方形、梯形、三角形、半椭圆形或者U形。

在以上技术方案的基础上，优选的，还包括活化金属层，设置在基底上并布设在各微沟槽的槽底部；其中，活化金属层上设置微气泡发生组件的电极阵列。

在以上技术方案的基础上，优选的，基底为绝缘材料制成。

一种减阻功能表面微结构的成型方法，用于在基底外表面上成型上述的微结构，包括以下步骤，

步骤一，在基底的外表面上通过超精密加工技术加工出若干微沟槽；

步骤二，在各微沟槽内交替设置第一电极部及第二电极部，并在基底上间隔设置第一转接部及第二转接部，各第一电极部同时连接第一转接部并组成第一阵列，各第二电极部同时连接第二转接部并组成第二阵列，第一阵列及第二阵列分别连接电源的正负极；

步骤三，在基底外表面上设置疏水层。

在以上技术方案的基础上，优选的，还包括中间步骤，在步骤一与步骤二之间进行，在各微沟槽的槽底部通过激光活化金属化技术布设活化金属层，再通过电化学方式在活化金属层上电沉积设置微气泡发生组件的电极阵列。

在以上技术方案的基础上，优选的，在步骤三中，通过激光刻蚀表面改性技术在基底外表面上成型微纳结构形成疏水层，或者通过涂层技术在基底外表面上涂布疏水涂层形成疏水层。

本发明的一种减阻功能表面微结构及其成型方法相对于现有技术具有以下

有益效果：

(1)本发明将微气泡、微沟槽及疏水层进行了有机的结合实现减阻功能最大化，使微气泡发生组件通过电极电解水的方式在微沟槽内产生微气泡，不仅制作方法简单，而且保证微气泡持续生成且能够延长微气泡在基底表面的停留时间，同时电极原位电解海水还能够产生氯气，能够降低海生物等杂质附着在基底外表面上，能够降低微结构丧失疏水减阻能力的情况发生。

(2)本发明设计微气泡发生组件的电极阵列由两个阵列交替交叉布设形成叉指电极阵列，且两个阵列分别连接电源正负极，不仅使微气泡发生组件设置在微沟槽内的成型难度很低，而且能够保证两个阵列相邻电极能够电解水持续产生微气泡，能够降低微结构丧失疏水减阻能力的情况发生。

(3)本发明在微气泡发生组件的电极阵列与微沟槽底部之间设置有活化金属层作为过渡层，能够确保电极与基底材料的结合强度，且成型工艺难度很低。

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为本发明的表面微结构的立体图；

图2为本发明的表面微结构的俯视图；

图3为本发明的表面微结构的主视图；

图4为本发明的基底的立体图；

图5为本发明的微气泡发生组件的立体图；

图6为本发明的成型方法中间步骤的表面微结构的立体图；

图7为本发明的成型方法步骤二的表面微结构的立体图。

图中：1、基底；101、微沟槽；2、微气泡发生组件；21、第一阵列；211、第一转接部；212、第一电极部；22、第二阵列；221、第二转接部；222、第二电极部；3、疏水层；4、活化金属层。

具体实施方式

下面将结合本发明实施方式，对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式仅仅是本发明一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本发明中的实施方式，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方式，都属于本发明保护的范围。

实施例一：

如图1所示，本发明的一种减阻功能表面微结构，包括基底1、微气泡发生组件2及疏水层3。

其中，基底1为绝缘材料制成。具体来说，基底1的材料通常选用聚酰亚胺(PI)、聚四氟乙烯(PTFE)等材料，其具备高强度、高韧性、耐磨损、耐腐蚀等特点，也是优良的绝缘材料，能使本实施例的表面微结构能够完美的贴附于水下航行体表面。需要说明的是，航行器表面绝非本申请附图所展示的那样是平整的平面结构，在实际设备中基底1及其外表面不仅包括平面结构，也包括自由复杂曲面结构，但本申请所采用的基底1上的微沟槽101、微气泡发生组件2的电极阵列以及疏水层3都不会因为基底1及其外表面的形状变化而失去效力。

基底1外表面上并行开设有若干微沟槽101。微沟槽101是沟槽微结构减阻技术的其中一种具体表现形式，是表面减阻技术领域的专有名词。微沟槽101的延伸方向与航行器在水中航行时水流经过的方向一致。微沟槽101的径向断面形状为方形、梯形、三角形、半椭圆形或者U形；为了便于制备底部微电极阵列，微沟槽101的径向端面形状一般是方形或者梯形。

微气泡发生组件2设置在若干微沟槽101内。微气泡发生组件2通过电极电解水的方式产生微气泡。现有的微气泡技术大多采用的是在表面密排气孔和气道的方式，该方式的微气泡发生装置设计安装较为不易，需要精密的加工技术及精确的喷流量控制等条件，并且会增加水下航行体外观设计的困难及制造成本。而本实施例微气泡发生组件2采用电极阵列原位电解海水技术来产生微气泡，技术简单、成熟可靠且易于维护，有较好的减阻效能及长时间使用的优势。

疏水层3覆盖在基底1外表面上；疏水层3为微纳结构或者疏水涂层或者二者的组合。微纳结构通常是指尺寸在100nm以下的微小结构，也就是以纳米尺度的物质单元为基础，按一定规律构筑或组装一种新的体系。它包括一维的、二维的、三维的体系，这些物质单元包括纳米微粒、稳定的团簇或人造超原子、纳米管、纳米棒、纳米丝以及纳米尺寸的孔洞。微纳结构通常具有超疏水性能以及减阻减摩性能。疏水涂层的涂料可以采用氟碳涂料，氟碳涂料中的PTFE、FEP、ECTE、ETFE、PFA等是常用的耐候绝缘疏水涂料；也可以采用氟化聚乙烯、氟碳蜡或其它合成含氟聚合物等来制作超疏水涂膜。

本实施例一本质上是将沟槽微结构、超疏水微纳结构与微气泡减阻技术三者复合形成耦合叉指电极微结构。背景技术中业已说明了单一水下减阻方法各有优缺点，本发明将沟槽微结构、超疏水微纳结构以及叉指电极阵列三者结合进行耦合叉指电极微结构设计，优势互补，充分发挥各种减阻机理的优越性，能够实现单一水下减阻方法所不能及的低-中-高航速多工况减阻能力。

具体的原理机制为，在基底1材料上成形沟槽微结构，使边界层表面流场的流动性质发生改变，有效抑制和延迟湍流的产生，降低摩擦阻力；在沟槽微结构的微沟槽101底部布置叉指微电极阵列，通过原位电解海水产生持续微气泡，利用微气泡的小摩阻性和易变形的特点，使来流与原基材的固液接触变为与微气泡的气液接触，从而调节表面流动状态以减少阻力；在沟槽微结构的顶部，即基底1外表面布置超疏水微纳结构的疏水层3，由于超疏水微纳结构表面上的滑移效应、气液界面阻隔效应与表面组分中的疏水基团所产生低表面能效应的协同作用，使得超疏水表面可以固定一层微气泡膜，利用气膜的阻隔作用，将原本的固-液界面转换为固-气-液界面，从而减小固-液接触带来的阻力，进一步降低摩擦阻力，提高了水下航行体的航行速度。

当然，上述三种减阻技术两两组合的方案也常见于本领域的专利或者文献中，将三种减阻技术进行整合也绝非难以想到之事，但目前多种减阻技术整合方案的其中一个难点就在于，难以保证微气泡气源持续供给以及微气泡稳定驻留的问题。

而本实施例则提出了一种解决方案，即通过微气泡发生组件2的电极阵列以电解水的方式来产生微气泡。本方案的优势在于：

首先要强调的是，本发明的表面微结构主要用于在海洋环境中航行的水下航行器，因此微气泡发生组件2的电极阵列原位电解海水产生氢气，氢气作为微气泡的气源，通过电解海水能够持续产生，从而保证了微气泡气源持续供给的问题。

其次，本实施例中微气泡发生组件2设置在微沟槽101内，使产生的微气泡被微沟槽101以及疏水层3的超疏水微纳结构所共同截留，从而延长微气泡在基底1表面微结构上的停留时间，从而能够保证微气泡减阻技术的减阻效果，并结合微沟槽101以及疏水层3的减阻性能，极大的提升了本申请表面微结构的减阻能力。

最后，本申请人发现，实际实施过程中之所以沟槽微结构及超疏水微纳结构随着使用时间的增加，其减阻性能大幅衰弱，其中一个原因是因为航行器长期行驶后表面会附着包括微生物在内的多种杂质，使沟槽微结构或者超疏水微纳结构遭到破坏从而失去了减阻能力。而本实施例中微气泡发生组件2的电极阵列原位电解海水还会附加产生氯气，氯气与水反应会生成次氯酸，次氯酸的强氧化性能够抑制生物附着，从而使本申请的表面微结构具有较好的水下抗污性能。

本实施例的一种减阻功能表面微结构的成型方法，用于在基底1外表面上成型实施例一的微结构，包括以下步骤，

步骤一，在基底1的外表面上通过超精密加工技术加工出若干微沟槽101，形成微沟槽阵列。超精密加工技术可以采用飞切加工成型技术，保证了较高的加工精度和质量。

步骤二，在微沟槽101内设置微气泡发生组件2。

步骤三，在基底1外表面上设置疏水层3。通过激光刻蚀表面改性技术在基底1外表面上成型微纳结构形成疏水层3，或者通过涂层技术在基底1外表面上涂布疏水涂层形成疏水层3。激光刻蚀表面改性技术及涂层技术均是现有成熟技术，因此本申请并未对其进行详细的描述。

另外，还需要说明的是，尽管本申请的表面微结构主要用于水下航行器，但也可以用于水上航行器位于水面下的部位表面。

同时，本发明的表面微结构及成形方法还可以拓展到其他耦合微结构功能表面的超精密加工及成形，在确保质量、效率及可靠性的前提下为其制备提供解决方案。

实施例二

在实施例一的基础上，具体实施时，如图1所示，结合图2，微气泡发生组件2包括第一阵列21、第二阵列22及电源。

其中，第一阵列21及第二阵列22分别设置在若干微沟槽101内，第一阵列21与第二阵列22间隔设置，第一阵列21及第二阵列22分别连接电源的正负极。第一阵列21及第二阵列22的电极通常采用耐海水腐蚀、高催化活性的电极材料制成，如铂、钌铱合金等。

具体来说，第一阵列21包括第一转接部211及第一电极部212，第二阵列22包括第二转接部221及第二电极部222。

其中，第一转接部211设置在基底1外表面上。第二转接部221设置在基底1外表面上并与第一转接部211间隔设置。第一转接部211的其中一端及第二转接部221的其中一端分别连接电源的正负极。第一转接部211及第二转接部221延伸方向均为微沟槽101延伸方向的垂直方向，第一转接部211及第二转接部221之间设置各第一电极部212及第二电极部222。

至少一个第一电极部212及至少一个第二电极部222交替设置在若干微沟槽101内。各第一电极部212同时连接第一转接部211，各第二电极部222同时连接第二转接部221。各第一电极部212的端部与第二转接部221之间留有间隔；各第二电极部222的端部与第一转接部211之间留有间隔。

可见，微气泡发生组件2的两个电极阵列的电极部交替设置形成类似于手指交叉的结构，因此本微气泡发生组件2可以被称为叉指电极阵列结构。这种设计的优势在于，正负极交替间隔布置，微气泡产生迅速且均匀，叉指电极的正负极(即第一转接部211及第二转接部221)分别用一根引线即可连接电源的正负极，连接简便。

本实施例的一种减阻功能表面微结构的成型方法，用于在基底1外表面上成型实施例二的微结构，包括以下步骤，

步骤一，在基底1的外表面上通过飞切加工成型技术加工出若干微沟槽101，形成微沟槽阵列；

步骤二，在各微沟槽101内交替设置第一电极部212及第二电极部222，并在基底1上间隔设置第一转接部211及第二转接部221，各第一电极部212同时连接第一转接部211并组成第一阵列21，各第二电极部222同时连接第二转接部221并组成第二阵列22，第一阵列21及第二阵列22分别连接电源的正负极；

步骤三，在基底1外表面上设置疏水层3。

实施例三

在实施例二的基础上，如图1所示，结合图3，还包括活化金属层4。

其中，活化金属层4设置在基底1上并布设在各微沟槽101的槽底部；活化金属层4上设置微气泡发生组件2的电极阵列。在基底1上制备活化金属层4所采用的激光快速活化金属化技术(Laser Activation Metallization，简称LAM技术)是国家发明专利技术，可实现单面、双面、三维陶瓷电路板的大规模生产。精度高，结合力好，导电层可从1μm到1mm间定制，其中用纯铜代替银浆可以解决孔的导电和结合力问题，整体性能更加稳定。该工艺成熟、性能优越，激光入射三维面可实现高精度布线。不受外形限制使设计空间更具想象力，成本较传统的技术更低、无需开模、环保无污染，应用领域有航天航空，汽车PCB，集成电路，大功率电子封装等。简单来说，活化金属层4用于将微气泡发生组件2的电极阵列固定在基体组件1上，能够加强基底1与微气泡发生组件2电极阵列的结合连接强度。

由于需要在微气泡发生组件2与微沟槽101底部之间布置活化金属层4，因此在步骤一与步骤二之间还需要进行中间步骤，在各微沟槽101的槽底部通过激光活化金属化技术布设活化金属层4，再通过电化学方式在活化金属层4上电沉积设置微气泡发生组件2的电极阵列。

以上所述仅为本发明的较佳实施方式而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种减阻功能表面微结构，其特征在于，包括：

基底(1)，外表面上并行开设有若干微沟槽(101)；

微气泡发生组件(2)，设置在若干所述微沟槽(101)内；

疏水层(3)，覆盖在所述基底(1)外表面上；

其中，所述微气泡发生组件(2)通过电极电解水的方式产生微气泡；

所述疏水层(3)为微纳结构或者疏水涂层或者二者的组合；

所述微气泡发生组件(2)包括第一阵列(21)、第二阵列(22)及电源；所述第一阵列(21)及第二阵列(22)分别设置在若干微沟槽(101)内，所述第一阵列(21)与第二阵列(22)间隔设置，所述第一阵列(21)及第二阵列(22)分别连接电源的正负极；

所述第一阵列(21)包括，

第一转接部(211)，设置在所述基底(1)外表面上；

至少一个第一电极部(212)；

所述第二阵列(22)包括，

第二转接部(221)，设置在所述基底(1)外表面上并与第一转接部(211)间隔设置；

至少一个第二电极部(222)；

其中，至少一个所述第一电极部(212)及至少一个第二电极部(222)交替设置在若干微沟槽(101)内；

各所述第一电极部(212)同时连接第一转接部(211)，各所述第二电极部(222)同时连接第二转接部(221)；

所述第一转接部(211)的其中一端及第二转接部(221)的其中一端分别连接电源的正负极。

2.根据权利要求1所述的一种减阻功能表面微结构，其特征在于：所述第一转接部(211)及第二转接部(221)延伸方向均为微沟槽(101)延伸方向的垂直方向，所述第一转接部(211)及第二转接部(221)之间设置各第一电极部(212)及第二电极部(222)；

各所述第一电极部(212)的端部与第二转接部(221)之间留有间隔；

各所述第二电极部(222)的端部与第一转接部(211)之间留有间隔。

3.根据权利要求1所述的一种减阻功能表面微结构，其特征在于：所述微沟槽(101)的径向断面形状为方形、梯形、三角形、半椭圆形或者U形。

4.根据权利要求1所述的一种减阻功能表面微结构，其特征在于，还包括：

活化金属层(4)，设置在所述基底(1)上并布设在各微沟槽(101)的槽底部；

其中，所述活化金属层(4)上设置微气泡发生组件(2)的电极阵列。

5.根据权利要求1所述的一种减阻功能表面微结构，其特征在于：所述基底(1)为绝缘材料制成。

6.一种减阻功能表面微结构的成型方法，用于在所述基底(1)外表面上成型权利要求1至5任意一项所述的微结构，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一，在所述基底(1)的外表面上通过超精密加工技术加工出若干微沟槽(101)；

步骤二，在各所述微沟槽(101)内交替设置第一电极部(212)及第二电极部(222)，并在所述基底(1)上间隔设置第一转接部(211)及第二转接部(221)，各所述第一电极部(212)同时连接第一转接部(211)并组成第一阵列(21)，各所述第二电极部(222)同时连接第二转接部(221)并组成第二阵列(22)，所述第一阵列(21)及第二阵列(22)分别连接电源的正负极；

步骤三，在所述基底(1)外表面上设置疏水层(3)。

7.根据权利要求6所述的一种减阻功能表面微结构的成型方法，其特征在于，还包括：

中间步骤，在所述步骤一与步骤二之间进行，在各所述微沟槽(101)的槽底部通过激光活化金属化技术布设活化金属层(4)，再通过电化学方式在所述活化金属层(4)上电沉积设置微气泡发生组件(2)的电极阵列。

8.根据权利要求6所述的一种减阻功能表面微结构的成型方法，其特征在于：在所述步骤三中，通过激光刻蚀表面改性技术在所述基底(1)外表面上成型微纳结构形成疏水层(3)，或者通过涂层技术在所述基底(1)外表面上涂布疏水涂层形成疏水层(3)。