[發明專利]一種具有潤濕階躍效應的氣膜減阻模型及其制備方法

在審

• 申請號: 202011378959.0
• 申請日: 2020-12-01
• 公開（公告）號: CN112550552A
• 公開（公告）日: 2021-03-26
• 發明（設計）人: 樊玉杰;董帥帥;田桂中;馮曉明;朱豐林
• 申請（專利權）人: 江蘇科技大學
• 主分類號: B63B1/38
• 分類號: B63B1/38;B63B71/00;B23P15/00
• 代理公司: 南京正聯知識產權代理有限公司 32243
• 代理人: 杭行

本發明公開一種具有潤濕階躍效應的氣膜減阻模型及其制備方法，包括模型試樣，模型試樣由多塊親水區域和疏水區域組成，并且每個親水區域和每個疏水區域呈相間排布，親水區域形狀為凹坑,每個所述親水區域的靜態接觸角小于90°，每個所述疏水區域的靜態接觸角大于150°。通過在模型表面構建親疏水相間的網格結構，能在壁面產生潤濕階躍效應，產生約束液?氣?固三相接觸線移動的束縛力；本方案采用激光燒蝕的方法在試樣表面構建規則微結構特征形貌，輔助以低表面能物質硬脂酸修飾降低表面自由能，構筑親疏水相間的超疏水表面以達到減阻效果。與現有技術方案相比，本發明操作簡單易行，加工效率高、成本低，對環境無危害等優點。

技術領域

本發明屬于水下減阻技術領域，具體涉及一種具有潤濕階躍效應的氣膜減阻模型及其制備方法。

背景技術

微波隨著海洋開發和海防形勢的變化，我國對海洋的探索和開發不斷由近海向遠海、深海延伸，而對深海的探索研究多數依靠水下航行器完成，減少航行體阻力降低單位航程內航行器的能源消耗，增加航行器航程和有效工作時間具有重要的現實意義。此外，海運由于其低廉的航運成本，具有無可比擬的成本優勢，成為全球貨物運輸的主要方式，隨著石油資源的枯竭以及全球氣候變暖的加劇也對有效降低船舶航行阻力，減少能源消耗提出了更高的要求。

受自然界疏水現象啟發。越來越多國內外學者開始關注仿生疏水材料在水下減阻方面的潛在應用。隨著科學技術的發展，制備超疏水表面的方法也越來越多樣，技術也愈加成熟，使得研究超疏水表面減阻有著十分現實的意義。眾多學者證實超疏水表面能夠減阻源于超疏水表面微結構上產生一層氣膜，使得原來的部分固液界面接觸變為氣液界面接觸，原有的無滑移壁面被部分滑移壁面替代。超疏水表面在水下的減阻效果與微結構尺寸、氣膜厚度，氣膜尺寸等相關。通過提高封存氣膜的面積和厚度將能夠有效提升超疏水表面水下減阻效果。實驗發現，在來流速度較低時，水下超疏水表面氣膜完整，具有良好的減阻效果。但由于超疏水表面的氣膜會在來流的剪切作用下不斷消失，并且隨著來流速度的增加和時間的累計，超疏水表面的氣膜完全消失，減阻也隨之消失，可能會因為表面微結構較高的粗糙度增大出現粗糙增阻的現象；與此同時，隨氣膜尺寸增大, 其封存難度也隨之提高。因此,如何在超疏水表面存留穩定的氣膜成為研究超疏水表面水下減阻的關鍵。

現有技術中通過在超疏水微結構內部布置電解電極，以電解水的方法實現超疏水表面氣膜在水流沖刷作用下的動態補充，但成本昂貴，結構復雜，能耗較高，實際應用的難度很大。或者也有技術中使用涂層構筑超疏水表面，利用潤濕性調控在固體表面構建親疏水相間的區域，實現水下固體表面的氣膜封存，但是涂層含有毒物質，耐久性不足，容易喪失減阻效果，且價格昂貴，不適合大規模使用。為了針對上述缺陷，本發明研制出一種能夠解決上述問題的技術方案是亟需必要的。

發明內容

本方案為避免現有技術存在的缺陷，克服現有技術適用流速小、設備復雜、價格昂貴、耐久性不好、能耗高等難題。提供一種綠色、高效、操作簡單的親疏水相間超疏水表面及構建方法，本發明根據親疏水交界處接觸角滯后特性，可以實現氣膜在表面微結構內部的穩定駐留,提出一種基于激光燒蝕的制備方法和氣膜減阻模型。

本發明所采用的技術方案是：一種具有潤濕階躍效應的氣膜減阻模型，包括模型試樣，模型試樣由多塊親水區域和疏水區域組成，并且每個親水區域和每個疏水區域呈相間排布，親水區域形狀為凹坑,每個所述親水區域的靜態接觸角小于90°，每個所述疏水區域的靜態接觸角大于150°。

一種具有潤濕階躍效應的氣膜減阻模型的制備方法，包括如下步驟：

步驟一、預處理：試樣規格尺寸為50 mm×50 mm×5 mm，依次采用400#-2000#金相砂紙，在金相試樣預磨機盤上打磨模型試樣表面，至表面無明顯劃痕；在金相試樣拋光機上將模型試樣拋光至表面無劃痕；將模型試樣分別依次用丙酮、乙醇、去離子水超聲波清洗清洗10-15min，并在溫度為105~110℃的干燥箱中干燥15-20min；