一种具备疏水减阻能力的仿生多孔结构的成型方法技术

一种具备疏水减阻能力的仿生多孔结构的成型方法，在金属表面利用超快激光工艺、微弧氧化工艺或阳极氧化工艺制备出多孔结构，该多孔结构表面开口宽度不大于2mm，深宽比不小于1：1。该结构除具备超疏水减阻能力以外，还具备稳定持久、耐冲刷能力强。耐冲刷能力强。耐冲刷能力强。

【技术实现步骤摘要】
一种具备疏水减阻能力的仿生多孔结构的成型方法


[0001]本专利技术涉及金属表面处理领域，具体说的是一种具备疏水减阻能力的仿生多孔结构的成型方法。

技术介绍

[0002]船舶、载人深潜器、水中兵器等水下航行器在航行过程中，由于边界层效应，海水对航行器表面存在一定的粘附作用，产生较大的航行阻力。据统计分析，水下航行器在航行过程中主要受到兴波阻力、压差阻力和摩擦阻力作用。现有研究结果表明，兴波阻力占航行阻力的10%～20%，压差阻力占比20～25%，摩擦阻力占比45～50%。由此可知，水下航行器在航行中所受到的航行阻力主要为摩擦阻力。为了减小航行阻力，提高航速，对水下航行器减阻技术需求迫切。
[0003]水下航行器在航行过程中，发生与水的相对运动。根据与水流相对运动状态，水流可大致分为两层，上层为湍流层，下层为层流层。水流与航行器相对运动速度随水深呈现出阶梯性变化。与航行器相接触的层流层，相对速度为0。水流和航行器之间的摩擦阻力主要受到不同水层之间的内剪切力F1和水层与航行器表面的外剪切力F2。其中，水层与航行器之间的外剪切力F2占总摩擦阻力的比例达80%以上。根据物理学原理可知，外剪切力F2可用水层与航行器表面之间的固液两相接触角来表征，固液两相接触角越大，固液两相粘附功越小，材料的疏水效果越明显，航行器摩擦阻力越小。
[0004]结合对自然界中荷叶、稻叶、水黾等天然超疏水表面微观结构观察结果可知，构建具有一定粗糙度的表面微纳结构是增大固液两相接触角，降低流体航行阻力的重要途径。其主要策略包括：在粗糙的基底上修饰低表面能疏水物质、在低界面能疏水表面构建具有一定粗糙度的表面微细结构。因此，通过在水下航行器表面制备有序的微纳米复合的仿生结构，并通过辅以或不辅以一定的低界面能涂覆材料，优化流场形态，推迟层流
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湍流转变，可以达到减阻的目的。随着现代工业技术发展，微纳结构仿生减阻的实现方法有很多，如光刻、溶胶
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凝胶涂层、电化学沉积、化学刻蚀等。但这些方法均存在自身的极限性，如涉及危险的化学品、复杂的处理程序、较低的加工效率、材料种类尺寸存在一定局限性等。
[0005]综上所述，表面微纳结构仿生减阻方法在水下航行器减阻控制方面具有较大的应用潜力。但是，由于现有表面微纳仿生减阻结构均为浮凸结构，通过在光滑表面制备一定高径比的柱状浮凸结构，使液滴在金属表面形成稳定的Cassie态，具备一定的超疏水效果。但从实际应用角度考虑，由于航行器与水流之间的相对运动速度较大，表面浮凸的微结构受到水流冲击摩擦时，其浮凸结构容易被破坏甚至消失，而难以维持超疏水性能。由于人工制备的超疏水表面又不像生物体表面那样可以通过新陈代谢自我修复，导致微纳仿生浮凸结构稳定性差、耐海水冲刷能力弱、自修复能力差等不足，限制了表面微纳结构仿生减阻在水下航行器中的应用。

技术实现思路

[0006]为解决上述技术问题，本专利技术提供一种具备疏水减阻能力的仿生多孔结构的成型方法，该结构除具备超疏水减阻能力以外，还具备稳定持久、耐冲刷能力强。
[0007]为实现上述技术目的，所采用的技术方案是：一种具备疏水减阻能力的仿生多孔结构的成型方法，在金属表面利用超快激光工艺、微弧氧化工艺或阳极氧化工艺制备出多孔结构，该多孔结构表面开口宽度不大于2mm，深宽比不小于1：1。
[0008]多孔结构内填充有偶联剂。
[0009]偶联剂通过雾化、喷涂或气相沉积填充。
[0010]超快激光工艺为：除油除锈预处理
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丙酮酒精清洗
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飞秒激光处理
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封闭保存，工艺参数设置如下：激光功率为3～20W，扫描间距为20～1000μm，扫描速度为100～800mm/s，激光频率为8～500KHz。
[0011]阳极氧化工艺为：除油预处理
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水洗
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阳极氧化
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水洗
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封闭保存。工艺参数设置如下：电解液选用硫酸乙二醇溶液，并向电解液中加入适量氟化铵，得到阳极氧化溶液，阳极氧化溶液浓度控制在5～20g/L；电解槽中电压控制在30～50V；阳极氧化时间控制在1～2h；处理温度控制在10～30℃。
[0012]微弧氧化工艺为：除油预处理
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水洗
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微弧氧化
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水洗
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封闭保存。工艺参数设置如下：电解液选用磷酸钠体系或硅酸钠体系溶液；微弧氧化电压控制在300～600V，电流密度8～20A/dm2，占空比为10%～40%，频率100
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500Hz；处理时间控制在10～60min。
[0013]本专利技术有益效果是：本专利技术简单易行，操作方便。相以往专利技术或论文中提出浮凸状微纳结构+低界面能修饰等专利技术，具有如下效果：（1）疏水效果更优。传统疏水结构采用浮凸状微纳结构，因海水高速冲刷引起结构倒伏失稳，从而致使结构疏水能力下降。因此，为保证疏水结构具备良好的抗倒伏能力，不得不降低浮凸结构高径比提高其结构稳定性，继而在一定程度上牺牲了浮凸结构的疏水能力。基于此，本专利技术提出表面周期性孔洞微纳结构，由于孔洞为向下凹陷式结构，结构稳定性几乎不受孔洞深宽比影响，可制造任意深宽比的微纳结构以追求更优的疏水效果。
[0014]（2）结构稳定性好。传统浮凸状疏水结构由于抗倒伏能力弱，仅能用于低速航行体结构表面，限制了疏水结构的适用范围。本专利技术提出的孔洞式微纳结构具备结构刚度大的特征，即使受到高速海水冲刷，微纳疏水结构仍不失效，具有良好的结构稳定性，不仅可用于低速航行体，还可用于螺旋桨等高速冲刷构件表面疏水结构制备。
[0015]（3）疏水效果可根据结构形式调整。传统浮凸状微纳疏水结构形貌控制难度大。本专利技术提出的孔洞状微纳结构可以通过超快激光设置不同的截面形状，根据疏水性要求任意调整表面微纳结构疏水能力。
[0016]（4）具有一定的缓释自修复能力。传统浮凸状疏水结构需要在微纳疏水结构表面涂覆一层非极性偶联剂，由于在浮凸结构之间填充偶联剂较为困难，偶联剂主要以熔覆层的形式覆盖在浮凸状微纳结构表面。偶联剂熔覆层厚度较薄，长周期服役过程中容易出现破损，继而引起微纳结构疏水能力下降。本专利技术提出将偶联剂注入多孔结构内部，可以进一步提高微纳疏水结构刚度，增强其结构稳定性。同时，考虑到疏水结构可能受到海水高速冲刷导致微纳结构挤压变形，孔洞内偶联剂由孔内至外缓慢释放，弥补因结构受损而引起的
疏水能力下降的不足，进一步延长疏水结构寿命。通过对比可知，在承受低速冲刷载荷时（冲刷速度≤5m/s），本专利技术提出的多孔疏水结构减阻效率可到15%左右，与传统浮凸状疏水结构减阻性能相当；在承受高速冲刷载荷时（冲刷速度≥10m/s），本专利技术提出的多孔疏水结构仍可以稳定保持在5%～8%左右，而传统浮凸状疏水结构由于结构失稳，表现为增阻效果，减阻率最大可达
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10%。
附图说明
[0017]图1中的（a）（b）（c本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种具备疏水减阻能力的仿生多孔结构的成型方法，其特征在于：在金属表面利用超快激光工艺、微弧氧化工艺或阳极氧化工艺制备出多孔结构，该多孔结构表面开口宽度不大于2mm，深宽比不小于1：1。2.如权利要求1所述的一种具备疏水减阻能力的仿生多孔结构的成型方法，其特征在于：多孔结构内填充有偶联剂。3.如权利要求2所述的一种具备疏水减阻能力的仿生多孔结构的成型方法，其特征在于：偶联剂通过雾化、喷涂或气相沉积填充。4.如权利要求1所述的一种具备疏水减阻能力的仿生多孔结构的成型方法，其特征在于：超快激光工艺为：除油除锈预处理
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丙酮酒精清洗
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飞秒激光处理
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封闭保存，工艺参数设置如下：激光功率为3～20W，扫描间距为20～1000μm，扫描速度为100～800mm/s，激光频率为8～500KHz。5.如权利要求1所述的一种具备疏水减阻能力的仿生多孔结构的成型方法，其特征在于：阳极氧化工艺为：除...

【专利技术属性】
技术研发人员：李治，薛钢，吴艳明，王杏华，
申请(专利权)人：中国船舶重工集团公司第七二五研究所，
类型：发明
国别省市：