详情

原文传递基于低表面能超疏水复合表面的制备及其减阻性能研究

论文题名：	基于低表面能超疏水复合表面的制备及其减阻性能研究
关键词：	航行器;超疏水表面;制备工艺;减阻性能
摘要：	一般海上航行体在行进过程中会受到压差阻力、兴波阻力和摩擦阻力，其中受到最大的阻力就是摩擦阻力。这些航行器在行进过程中大部分的能源都要消耗在克服水的阻力上，因而航行器在工作中亟待解决的就是尽可能地降低摩擦阻力。大量研究表明，超疏水表面存在特殊的微纳米粗糙结构可以滞留空气，形成气膜，起到一定的阻隔作用，使得液滴与表面的有效接触面积减小，液滴与表面的接触转换为粘附力更低的气-液接触，成为降低表面阻力最有潜力的方法之一。但是，超疏水表面应用于水下减阻时，会存在机械稳定性较差的局限性，尤其是在高速水流下，超疏水表面的粗糙结构会受到水流冲击导致空气层消失，疏水性能降低，进而影响其减阻性能。针对上述问题，本文在低表面能微粗糙结构的超疏水表面基础上展开研究，并进一步对超疏水表面进行二次复合制备出新的表面，均对不同表面的减阻性进行了研究。具体研究如下：　　(1)以二氧化硅纳米粒子为原料，用喷涂法将正辛基三乙氧基硅烷(OTS)修饰的二氧化硅溶液喷涂到预固化的聚氨酯(PU)基底，经固化形成超疏水表面。超疏水表面的减阻性能利用自主设计的旋转粘度计进行测试分析。研究结果表明，基于OTS@SiO2纳米粒子制备的超疏水表面表现出较低的表面粗糙度(Sa=0.298μm)、较强的疏水性能(水接触角CA=171.4°和滚动角SA=0°)；超疏水表面经历50次磨损周期后，涂层表面仍具有超疏水性能，水接触角保持在160°以上，显示了较强的机械稳定性。利用旋转粘度计对该疏水表面的减阻性能进行了测试分析，喷涂了超疏水表面的转子在低速转动下(100rpm)减阻率能达到66.7%，较高转速下(500rpm)能达到7.4%，表现出优异的减阻性能。超疏水转子在沙砾连续冲击2.5h后在500rpm条件下的减阻率仍可以达到3.7%，说明该表面还表现出卓越的减阻稳定性能。这种出色的超疏水性能归因于基于纳米粒子的超疏水表面低粗糙度的独特结构，该结构具有将固-液界面转化成气-界面从而减小摩擦阻力的良好性能，且低粗糙度的表面结构更加稳定，不易被破坏。　　(2)使用静电植绒方法制备出基于二氧化硅纳米粒子和天然胶乳的超疏水/柔性耦合表面，并对该表面的物理性能、减阻性能和机理进行了研究。研究结果表明，基于超疏水/柔性耦合表面显示出优异的疏水性能(水接触角CA=165°)；此外，该耦合表面还表现出优异的自清洁性，水滴滴落能带走该表面上的污垢。同时，自主搭建了压力传感器减阻测试平台，借助此平台测试了该耦合表面在层流和湍流状态下的最高减阻率分别能达到51.8%和89.5%，表现出优异的减阻性能。在水中浸泡15天后，表面最高减阻率仍可达到86.7%，表现出卓越的减阻稳定性能。这种独特的超疏水与柔性面复合结构，在层流状态下通过超疏水的气-液界面的小摩阻性达到良好的减阻效果，在湍流状态下则通过天然胶乳柔性面推迟边界层转捩获得较高减阻率。　　(3)以二氧化硅纳米粒子为原料，并用操作简易的喷涂法将正辛基三乙氧基硅烷(OTS)修饰的二氧化硅分散液喷涂到预固化的聚氨酯(PU)表面制备出超疏水表面，并在其表面背部涂抹具有良好导电性能的石墨烯形成可连续的膜，继而通入电流使得石墨烯膜发热并传热给超疏水表面，表征了超疏水涂层的各项性能，并探究了不同壁温与表面的减阻效果的关系。结果显示，制备的涂层具有良好超疏水性，其水接触角为157.9°，滚动角为1°。此外，该超疏水涂层也表现出了良好的自清洁效果。同样地，借助旋转粘度计测试平台对减阻率进行测试分析，结果显示，经升高壁温的超疏水涂层转子在转速范围内均表现出转矩降低的情况，当壁温升高到50℃时，减阻率达到了100%。本工作制备的涂层表面有微纳米级别的凹槽，这种结构能够滞留空气形成气膜，气膜的阻隔作用将固液接触转化为阻力更小的气-液接触，并与升高壁温的协同作用使其具有良好的减阻性能。
作者：	张江涛
专业：	材料科学与工程
导师：	孙友谊
授予学位：	硕士
授予学位单位：	中北大学
学位年度：	2022