抵抗空化侵蚀的表面防护制造技术

本发明专利技术涉及一种用于防护部件表面抵抗空化侵蚀的方法和具有这种空化防护表面的部件，其中在表面中提供多个微空腔，其捕获气体如空气；捕获在微空腔内的气体，空气在空化气泡附近膨胀，形成气垫层，其引导空化射流远离表面，从而防护表面抵抗空化侵蚀；空化具有典型T形和T形轮廓的凹陷或双凹陷入口设计。和T形轮廓的凹陷或双凹陷入口设计。和T形轮廓的凹陷或双凹陷入口设计。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】抵抗空化侵蚀的表面防护
[0001]本专利技术涉及一种用于防护部件表面抵抗空化侵蚀的方法，和具有这种空化防护表面的部件。
[0002]特别地，本专利技术涉及一种用于设计空化排斥表面的途径。
[0003]空化侵蚀是一个众所周知的问题，由高速流动中的固体边界附近(例如船舵、泵和流动弯道周围)的蒸气气泡塌陷引起，并导致设备的修复和停机。当液体中的压力低于饱和压力时，出现这些气泡。由于这些气泡在固体表面附近塌陷，产生大振幅的微射流和冲击波，这可以高达约80米/秒冲击壁。表面上的空化泡沫反复或循环塌陷导致表面疲劳失效和随后的表面侵蚀。因此，除了不希望的噪声和通常与空化流动相关的机械振动，它也是对空化损伤的严重担忧原因。
[0004]由于与设备的维修和停机相关的高成本，预防和减轻与空化相关的损伤仍然是密集的研发领域。已经探索了各种策略用于减轻空化，包括表面硬化和液体排斥涂层。然而，这些方法不仅是由于其成本和环境影响而限制，而且它们还最终屈服于空化泡沫和高速射流的剧烈活动。
[0005]实验和理论方面确定，在固体边界附近塌陷的空化气泡与高速射流朝向它加速，冲击到固体边界上，但是在自由边界例如液体
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蒸气界面附近塌陷的气泡受到排斥，射流也是如此。
[0006]此外，已知斥水涂层可以在固体
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液体界面处俘获空气/蒸气，从而模拟自由表面。然而，除了因向环境释放不利化学物质引发的健康和环境担忧外，通常包含全氟化化学物质的最常见涂层易受到磨蚀和高机械和热应力的侵害。
[0007]本专利技术的目的是提供一种用于防护遭受空化的表面抵抗空化侵蚀的方法，并提供配备有这种空化防护表面的部件。
[0008]特别是，目的是提供一种空化防护，它不需要特别硬化材料，也不需要既造成降低的防护还污染环境的易磨损的化学涂层。
[0009]除了金属及其合金之外，空化侵蚀问题还涉及用于生产部件的所有材料，例如无机、非金属、金属和有机材料如塑料、纤维增强复合材料、玻璃。
[0010]为了克服该问题，根据本专利技术的方法，在待防护抵抗空化侵蚀的表面中提供多个微空腔，其中空腔在表面处具备具有水平突出部(overhang)的入口，并且朝向空腔内壁在水平突出部的下边缘具有至少90
°
转角(相对于空腔纵向轴线)，这种设计也被称为凹陷(reentrant)空腔(RC)。
[0011]根据另一实施方案，在水平突出部的自由端处设置竖直突出部，其中在竖直突出部朝向内壁的下边缘处的转角是至少90
°
(相对于空腔纵向轴线)，这种设计是也称为双凹陷空腔(DRC)。所述凹陷空腔以及双凹陷空腔可以有效地捕获气体/空气。因此，它们也称为“气体捕获微空腔”(1)。
[0012]在下文中也将设置有这种气体捕获微空腔的表面称作“气体捕获微结构化表面”(GEM)，其可呈现对于空化气泡的自由表面，从而导致用于减轻空化的无涂层策略。
[0013]通过本专利技术的微空腔，对于极性和非极性液体而言，表面的润湿性比不具有这种
结构的表面显著降低。本专利技术GEM具有大于90
°
的表观接触角，这样的表面适格为全斥(omniphobic)表面。特别是，观察到接触角高达130
°‑
150
°
。采用本专利技术的具有凹陷和双凹陷的微空腔特征，可以使固有润湿性材料排斥液体(全斥)。
[0014]本专利技术涉及一种在固体
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液体界面捕获空气的仿生方法。这种方法的灵感来自于大自然。海洋滑冰虫(Halobates germanus)和跳虫(弹尾目)已经进化出惊人的排斥液体的策略，以分别在开放的海洋和土壤中健康成长。具体而言，其角质层由蘑菇状的特征(分别是微刺(2)和粒子(3))构成，使得能够在偶然浸入水中时牢靠地捕获空气用于呼吸和浮力。
[0015]根据本专利技术的微空腔可具有整体筒状，具有在一端的入口和在另一端的底部。
[0016]凹陷微空腔具有在顶部有水平突出部的整体T形轮廓，且双凹陷空腔(也称为蘑菇状空腔)在水平突出部的自由端部具有竖直突出部，像衬线(serife)T。
[0017]“微空腔”意味着它们可以具有在约20μm至约250μm的数量级的直径D，和约30μm至120μm，优选30μm到80μm，且最优选40μm至80μm的深度。优选地，间距L，从中心到中心测量的两个相邻的微空腔之间的距离，为约D+5至D+50μm，更优选约D+5至D+30μm，特别是D+5至D+20μm。
[0018]间距L应足够大，以确保足够的机械稳定性。如果间距过小，机械稳定性可能会受到影响。
[0019]水平突出部的高度和宽度的大小为约几微米，典型地小于10μm(取决于该空腔的直径)；和竖直突出部的宽度小于所述水平突出部的宽度，和高度为几微米，例如约2μm至约6μm，优选约2.5μm至4.5μm。
[0020]应当指出，上面提到的尺寸不是强制性的，而仅是为了说明微空腔的大小。根据需要，尺寸可变化。
[0021]用于形成本专利技术的气体捕获微结构化表面，优选地，将多个微空腔有规律地分布在待防护的表面之上。
[0022]根据一个优选的实施方案，将微空腔布置成在表面之上具有六方对称性。然而，本专利技术并不限于这样的六方分布，而是其它排列图案也可以适当地使用，例如平行连续排列的行、交错行等。
[0023]微空腔的布置和数量应使得在空化的情况下，在空腔中捕获的空气可以提供如环境的自由表面，用于提供有效的空化防护。
[0024]本专利技术的关键思想是在微空腔牢靠地捕获空气，并且诱导所捕获的空气通过由空化气泡膨胀时产生的压力场而突出到表面上。突出的空气的作用就像垫层或冲击护罩。
[0025]根据本专利技术GEM，取决于空化气泡离表面(它们撞击在该表面上)的距离，可以排斥微射流或至少显著减少幅度。
[0026]在任何情况下，表面被防护免受液体射流冲击的轰击。此外，还存在很大的优点：GEM的性能不需要额外的化学涂层。
[0027]尽管如此，也可使用GEM与斥水涂层的组合，如参考后述的全氟癸基三氯硅烷(FDTS)涂层。本专利技术人实验地确定，对于具有和不具有这样涂层的GEM，空化射流行为非常类似。
[0028]在GEM已被非常接近边界(5，6)发生的空化事件无效的情况下，有几种技术用于将气体再供应到空腔以继续防护该表面。
[0029]例如，可以从基材的背部供应气体。这里，空化气泡可以对气体贮存器提供用于再填充的拉力。此外，可以使用溶解于液体中的气体。具有合适的纳米/微观结构化的基材，表面可以通过扩散(7，8)而愈合。
[0030]如在实验部分中详细说明的，本专利技术的GEM可用通过光学光刻工艺来制造。
[0031]另外合适的方法是3
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D印刷、增材制造和激光微加工。
[0032]在下面，参考附图对本专利技术进行更详细地说明，所述附图示出了分别具有RC和DRC的本GEM的优选实施方案本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.防护部件的表面抵抗空化侵蚀的方法，其中在表面中提供多个微空腔其中微空腔在表面(1)处具有入口(2)，其具有水平突出部(3)，或其中微空腔在表面(1)处具有入口(2)，其具有水平突出部(3)以及设置在水平突出部(3)的自由端的竖直突出部(4)，相对于空腔的纵向轴线，两者具有至少90
°
的转角。2.根据权利要求1所述的方法，其中微空腔具有圆形形状，其直径为几微米至几百微米，且深度为几微米至几十微米。3.根据权利要求1或2所述的方法，其中空腔的直径在入口(2)以下增大。4.根据权利要求3所述的方法，其中，通过增加的直径，提供具有沿着空腔内壁的周边延伸的凹入弯...

【专利技术属性】
技术研发人员：CD，
申请(专利权)人：阿卜杜拉国王科技大学，
类型：发明
国别省市：