一种制备水下新型展向沟槽微结构减阻表面的方法与流程

本发明涉及领域，尤其涉及，具体为一种制备水下新型展向沟槽微结构减阻表面的方法，可有效降低航行体在水中航行时表面的摩擦阻力，属于机械工程表面处理技术与流体动力学技术领域。

背景技术：

海上航运依然是现代重型货物的主要长途运载方式，尤其是航运在石油、天然气、煤炭等能源的运输。货轮等航行体在海上运行时，水对船体的阻力是影响其能耗的重大因素，该阻力主要由摩擦阻力、压差阻力、兴波阻力等构成，其中摩擦阻力占比较大。因此减小货轮运行过程中的摩擦阻力，有助于节约资源，提高效益。

近年来，随着我国现代化海上航运业的发展，水上航行体的发展迅速，减阻节能，提高航行速率的要求变得尤为迫切。通过该发明制备的水下展向减阻微结构，在航行体运行时，能够在水与船体表面产生气层，避免了船体与水的直接接触，从而能够有效的减小航行体在水中的摩擦阻力，大大提高其航行效率。

技术实现要素：

一种制备水下新型展向沟槽微结构减阻表面的方法，该方法包括以下步骤：步骤一，具有特殊阵列微结构的光固树脂膜表面由纳米级别聚四氟乙烯(ptfe)颗粒的自组装覆盖，步骤二，基体表面的环氧类底漆的喷涂干燥以及氟碳树脂(fc)面漆的喷涂，步骤三，将步骤一制备得到光固树脂膜上的特殊阵列微结构压印到fc面漆上，加压干燥15-36小时后，去除光固树脂膜，得到水下新型展向沟槽微结构减阻表面。

所述的具有特殊阵列微结构的光固树脂膜，由uv转印成型，其表面的特殊阵列微结构为周期性的梯形沟槽(如图1所示)，沟槽的周期为5-30微米，沟槽的深度为5-15微米，沟槽上表面的开口宽度为1-15微米，沟槽侧边的角度为5-30°。

所述光固树脂膜表面由纳米级别聚四氟乙烯(ptfe)颗粒的自组装覆盖，所用的ptfe颗粒的粒度为50-500纳米，自组装覆盖的实现形式为静电吸引自组装。

所述基体表面的环氧类底漆的喷涂干燥以及氟碳树脂(fc)面漆的喷涂，环氧类底漆的喷涂厚度为50-200微米，室温干燥36小时后，经砂纸打磨后，喷涂fc面漆，面漆的厚度为50-200微米。

所述将步骤一制备得到光固树脂膜上的特殊阵列微结构垂直于流动方向压印到fc面漆上，压印时间为fc面漆喷涂后的0.5-5小时后进行压印。

所述加压干燥15-36小时，所加压力为0.1-15克/毫米²，干燥条件为室温干燥。

所述水下新型展向沟槽微结构减阻表面，由表面组装有ptfe纳米颗粒的周期性梯形沟槽构成且垂直于流动方向(如图2所示)，梯形沟槽的周期为5-30微米，深度为5-15微米，梯形沟槽上表面的开口宽度在5-15微米，沟槽侧边的角度在0-35°。

本发明所述的水下新型展向微结构减阻表面的制备方法，具有工艺简便，成型面积大，可以进行复杂曲面的成型，相对于现有工艺的改动较小，适应范围广，有着良好的工程应用前景。

附图说明

图1光固树脂膜周期性梯形槽的结构示意图

图2水下展向微结构减阻表面的周期性梯形槽的结构示意图

具体实施方式

本发明制备的水下新型展向微结构减阻表面，是具有垂直于流动方向的周期性分布的梯形沟槽且表面具有自组装ptfe纳米颗粒的fc面漆表面，其中梯形沟槽的周期为5-30微米，深度为5-15微米，梯形沟槽上表面的开口宽度在5-15微米，沟槽侧边的角度在0-35°。

本发明所用的具有特殊阵列微结构的光固树脂膜，由uv转印成型，其表面的特殊阵列微结构为周期性的梯形沟槽，沟槽的周期为5-30微米，沟槽的深度为5-15微米，沟槽上表面的开口宽度为1-15微米，沟槽侧边的角度为5-30°。其表面由粒度为50-500纳米的ptfe颗粒经静电吸引完成自组装覆盖。

水下新型展向微结构减阻表面制备由fc油漆表面经冷压印过程完成，具体的步骤如下：

1.基体表面的底漆喷涂，所用底漆为环氧类底漆，喷涂厚度为50-200微米，室温干燥36小时后，经砂纸打磨保证其表面的平整度。

2.fc面漆的喷涂，将商用fc树脂面漆，按照配比混合均匀，将其均匀喷涂到底漆表面，其厚度为50-200微米。

3.在fc面漆喷涂完成0.5-5小时后，将完成ptfe自组装的光固树脂膜按照沟槽垂直于流动方向的进行贴膜，保证贴膜的平整度以及无气泡，施加0.1-15克/毫米²的压力，室温干燥15-36小时。

4.去除油漆表面的光固树脂膜，完成水下展向微结构减阻表面制备。

下面结合实例对所提出的制备水下新型展向微结构减阻表面的方法做进一步详细说明。

实施案例1

制备光固树脂膜的梯形沟槽的周期为15微米，深度为9微米，梯形槽上表面的开口宽度为7.64微米，沟槽侧边的角度为12°。经200纳米尺度的ptfe颗粒自组装，底漆的喷涂厚度为100微米，干燥36小时后，经砂纸打磨后，喷涂120微米的fc面漆，室温干燥2.5小时，完成展向微结构薄膜的压印。加压0.2克/毫米²干燥24小时后去除光固树脂膜，得到展向微结构减阻表面，其梯形沟槽的周期为15微米，深度为8.95微米，梯形槽上表面的开口宽度为9.84微米，沟槽侧边的角度为8°左右，其在流速为4米/秒时减阻率约为5％，当流速达到13米/秒时，减阻率达到20.5％。

实施案例2

制备光固树脂膜的梯形沟槽的周期为20微米，深度为9.6微米，梯形槽上表面的开口宽度为15.5微米，沟槽侧边的角度为16°。经200纳米尺度的ptfe颗粒自组装，底漆的喷涂厚度为100微米，干燥36小时后，经砂纸打磨后，喷涂100微米的fc面漆，室温干燥2小时，完成展向微结构薄膜的压印。加压0.2克/毫米²干燥24小时后去除光固树脂膜，得到展向微结构减阻表面，其梯形沟槽的周期为20微米，深度为9.45微米，梯形槽上表面的开口宽度为9.92微米，沟槽侧边的角度为18°左右，其在流速为4米/秒时减阻率约为8％，当流速达到13米/秒时，减阻率达到25.2％。

技术特征：

1.一种制备水下新型展向沟槽微结构减阻表面的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：步骤一，具有特殊阵列微结构的光固树脂膜表面由纳米级别聚四氟乙烯(ptfe)颗粒的自组装覆盖，步骤二，基体表面的环氧类底漆的喷涂干燥以及氟碳树脂(fc)面漆的喷涂，步骤三，将步骤一制备得到光固树脂膜上的特殊阵列微结构压印到fc面漆上，加压干燥15-36小时后，去除光固树脂膜，得到水下新型展向沟槽微结构减阻表面。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的具有特殊阵列微结构的光固树脂膜，由uv转印成型，其表面的特殊阵列微结构为周期性的梯形沟槽，沟槽的周期为5-30微米，沟槽的深度为5-15微米，沟槽上表面的开口宽度为1-15微米，沟槽侧边的角度为5-30°。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述光固树脂膜表面由纳米级别聚四氟乙烯(ptfe)颗粒的自组装覆盖，所用的ptfe颗粒的粒度为50-500纳米，自组装覆盖的实现形式为静电吸引自组装。

4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述基体表面的环氧类底漆的喷涂干燥以及氟碳树脂(fc)面漆的喷涂，环氧类底漆的喷涂厚度为50-200微米，室温干燥36小时后，经砂纸打磨后，喷涂fc面漆，面漆的厚度为50-200微米。

5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述将步骤一制备得到光固树脂膜上的特殊阵列微结构垂直于流体流动方面压印到fc面漆上，压印时间为fc面漆喷涂后的0.5-5小时后进行压印。

6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述加压干燥15-36小时，所加压力为0.1-15克/毫米²，干燥条件为室温干燥。

7.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述水下新型展向沟槽微结构减阻表面，由表面组装有ptfe纳米颗粒的周期性梯形沟槽构成且垂直于流动方向，梯形沟槽的周期为5-30微米，深度为5-15微米，梯形沟槽上表面的开口宽度在5-15微米，沟槽侧边的角度在0-35°。

技术总结
本发明提供一种制备水下新型展向沟槽微结构减阻表面的方法，该方法包括以下步骤：步骤一，具有特殊阵列微结构的光固树脂膜表面由纳米级别聚四氟乙烯(PTFE)颗粒自组装覆盖，步骤二，基体表面的环氧类底漆的喷涂干燥以及氟碳树脂(FC)面漆的喷涂，步骤三，将步骤一制备得到光固树脂膜上的特殊阵列微结构压印到FC面漆上，加压干燥15‑36小时后，去除光固树脂膜，得到水下新型展向沟槽微结构减阻表面。本发明制备的水下减阻表面在不同流速条件下的减阻效率在1‑30％，于此同时，该制备方法的工艺简便，能够实现船体的大面积制备，易于工业化实现。

技术研发人员：翁鼎;庞作波;陈磊;汪家道
受保护的技术使用者：清华大学
技术研发日：2020.06.04
技术公布日：2020.09.08