超疏水表面功能材料減阻性能研究

0超疏水表面無滑移特性隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，各種稀疏表面的設(shè)計和應(yīng)用已成為研究的重點。自然界有很多生物都具有超疏水性和自清潔功能,例如荷葉表面和水黽腿部,其表面水的接觸角都高達(dá)160°以上,滾動角小于5°。正是生物表面的超疏水性和自清潔功能帶給了水下減阻技術(shù)新的研究方向。受此啟發(fā),國內(nèi)外學(xué)者開始關(guān)注超疏水表面減阻技術(shù)的研究。ChoiC.H.通過實驗對超疏水表面微通道內(nèi)水流動時的滑移效果進行了研究,發(fā)現(xiàn)在相同壓力下超疏水表面微通道內(nèi)的流率大于普通表面微通道內(nèi)的流率,并把流率增大的原因歸結(jié)為超疏水表面壁面處存在滑移。KevinJeffs和DanielMaynes利用數(shù)值模擬的方法研究了具有平行于流動方向的微結(jié)構(gòu)的超疏水表面的減阻特性。結(jié)果表明:自由剪切面積增大時,表觀滑移速度增加,摩擦阻力系數(shù)減小,且在相同條件下湍流狀態(tài)時的減阻量明顯高于層流狀態(tài)。霍素斌在鋁制微通道內(nèi)壁上制造出接觸角達(dá)153°的超疏水表面,并對水在超疏水表面微通道和超親水表面微通道中流動的壓降進行了測試與對比,實驗得出水在超疏水表面微通道內(nèi)的流動阻力有明顯降低,降低的最大值可達(dá)25%。李剛利用飛秒激光在硅表面刻蝕具有不同寬度和深度的微槽形貌,經(jīng)過硅烷化處理,通過接觸角的測量和流變特性實驗研究其疏水性與流動減阻的關(guān)系。呂田使用數(shù)值模擬方法研究了超疏水性圓管內(nèi)的湍流流動特性。研究表明:其流場中存在臨界Re數(shù),當(dāng)Re數(shù)大于此臨界值時,超疏水性圓管內(nèi)的湍流流動表現(xiàn)為減阻;反之則表現(xiàn)為增阻,并認(rèn)為超疏水表面無滑移壁面與自由剪切面的綜合效果是導(dǎo)致這一現(xiàn)象的主要原因。從已有的研究情況來看,國內(nèi)外學(xué)者從數(shù)值仿真和實驗兩方面充分證明了超疏水表面的減阻作用,但對超疏水表面減阻技術(shù)在水下航行器上的應(yīng)用及其減阻機理方面的研究較少,目前仍無統(tǒng)一認(rèn)識。通過水洞實驗研究超疏水表面航行器模型的阻力特性,并分析具有顯著減阻效果的超疏水表面的表面能特性及滑移特性,探索其減阻機理。1超稀疏水表面阻力模型1.1流體動力特性超疏水表面減阻實驗在西北工業(yè)大學(xué)高速水洞實驗室完成。該水洞洞體為一個充滿水的不銹鋼封閉循環(huán)管道,在葉輪泵的驅(qū)動下水沿管道循環(huán)流動,并在工作段內(nèi)形成一個穩(wěn)定的、水速和壓力可調(diào)的均勻流場。實驗?zāi)Ｐ椭糜诠ぷ鞫蝺?nèi)并與測試儀器相連,以測定模型的流體動力特性,圖1為水洞實驗裝置示意圖。高速水洞的主要參數(shù)為:(1)工作段尺寸:?400mm×2000mm;(2)工作段水速:0～18m/s,連續(xù)可調(diào);(3)工作段壓力:(0.2～3)×105Pa,連續(xù)可調(diào);(4)最小空化數(shù):K=0.15。實驗測試設(shè)備主要包括:(1)三分量天平;(2)HP34970A型數(shù)據(jù)采集系統(tǒng);(3)IBMPIII計算機;(4)激光測速儀。其中,三分量天平利用電橋平衡原理,同時測量阻力、升力和力矩。為了消除系統(tǒng)誤差,提高流體動力測量的準(zhǔn)確性,實驗前必須對天平進行嚴(yán)格的靜校。靜校采用雙向加減砝碼的辦法,這樣做可以消除應(yīng)變片伸長和縮短時變形量存在的偶然誤差。完成對3個通道的靜校測量后,采用最小二乘法對靜校結(jié)果進行處理,確定天平各通道的靈敏度,天平的主要技術(shù)參數(shù)見表1。1.2ly12鋁合金模型的制備以回轉(zhuǎn)體模型為載體進行水洞實驗,模型的總體構(gòu)成如圖2所示,由頭部曲線段、前圓柱段、天平連接段、后圓柱段及尾部曲線段5部分組成,其中頭部采用半球線型,尾部采用雙參數(shù)尖尾線型,各段之間分段加工,并用螺紋連接。模型全長900mm,最大直徑60mm,天平連接段90mm,前后圓柱段均為300mm,超疏水材料噴涂在前后圓柱段上。實驗過程中,對于不同表面模型的測試只需更換前后圓柱段即可,這樣不僅提高了不同模型實驗狀態(tài)的一致性,也避免了實驗過程中更換整體模型帶來的定位及裝夾誤差。實驗選用聚四氟乙烯(PTFE)/聚苯硫醚(PPS)仿生超疏水涂層改性處理LY12鋁合金模型表面,測試其水動力學(xué)性能,從而研究超疏水表面的減阻行為及作用機理。配置PTFE/PPS仿生超疏水涂料,用丙酮清洗LY12鋁合金模型表面,在0.3～0.4MPa壓力N2下噴涂處理鋁合金模型,并于一定溫度固化成型。所制備的PTFE/PPS仿生超疏水涂層具備優(yōu)異的超疏水性能、高粘結(jié)強度和耐介質(zhì)性等實際工程應(yīng)用性能。圖3為水滴在超疏水表面上的接觸行為,其表觀接觸角為165°,滾動角為4°,圖4為利用涂層改性處理后的超疏水表面模型及光滑表面模型。1.3數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)水洞水速調(diào)節(jié)控制沒有啟動時,洞內(nèi)水流處于靜止?fàn)顟B(tài),即來流速度為零,模型不受任何流體流動的作用,測得無受力情況下的參照值,即天平初始資料。啟動水洞后,模型在水流中受到的阻力作用于三分量天平就表現(xiàn)為彎曲力矩,這個變形通過電阻應(yīng)變片轉(zhuǎn)化為電信號,由電橋電路測量出這個電信號的大小,通過HP34970A數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)采集,并以電壓值的形式顯示出測量值。實驗中采集時間和采集次數(shù)分別設(shè)定為0.1s和100次,即在每一水速下每0.1s采集一次數(shù)據(jù),共采集100次。采集系統(tǒng)會自動讀取這100組數(shù)據(jù),給出其平均值。最后根據(jù)天平靜校結(jié)果把電壓值換算成阻力值,進行數(shù)據(jù)處理。1.4超疏水表面模型與雷諾數(shù)的減阻特性比較實驗中分別對超疏水表面模型和光滑表面模型進行阻力測試,模型迎角設(shè)定為0°,來流水速v=3～10m/s,調(diào)節(jié)間隔0.5m/s,靜壓力0.15MPa,水溫20℃。將超疏水表面模型的阻力系數(shù)和相同條件下光滑表面模型的阻力系數(shù)進行比較,即可獲得其減阻特性,減阻量的計算公式如下:DR=(1?CdC0)×100%DR=(1-CdC0)×100%式中,Cd、C0分別表示超疏水表面模型和光滑表面模型的阻力系數(shù)。圖5為超疏水表面模型與光滑表面模型的阻力系數(shù)對比曲線,圖6為超疏水表面模型減阻量隨雷諾數(shù)的變化曲線。從圖中可以看出,超疏水表面模型在雷諾數(shù)(2.7～9.0)×106范圍內(nèi)具有顯著、穩(wěn)定的減阻效果,最大減阻量達(dá)到了25%。但隨著雷諾數(shù)的增加,減阻效果逐漸降低直至基本消失。眾所周知,低表面能化學(xué)組成和表面微觀結(jié)構(gòu)是決定超疏水表面潤濕性大小的兩個主要因素,因此,有必要從這兩方面進一步研究超疏水表面具有減阻作用的機理。2超稀疏水表面衰減機理分析2.1x-4-4研究超疏水表面的表征為了定量地分析超疏水表面的表面能,采用接觸角法對所制備的超疏水表面進行表面能測試,其測試原理為cosθ=?1+2φγsγl??√cosθ=-1+2φγsγl根據(jù)此式,利用已知表面張力值γl的液體,測得與固體表面的接觸角θ,并在已知φ值的情況下,就可以求得固體的表面能γs。水滴在超疏水表面上的接觸角為θ=165°,水的表面張力取γl=72.8mN/m,修正因子φ與分子大小和分子間相互作用力有關(guān),隨體系組成而定。對于非極性液體與非極性固體構(gòu)成的體系,φ≈1。計算得到超疏水表面的表面能為γs=0.0211mJ/m2,相比普通金屬的表面能200～5000mJ/m2,超疏水表面確實具有低得多的表面能。為了進一步深入分析超疏水表面具有低表面能的原因,對其進行了X射線光電子能譜分析(X-rayPhotoelectronSpectroscopy,XPS)。XPS被廣泛用來進行固體表面化學(xué)分析,得到有關(guān)樣品的組成、化學(xué)態(tài)、表面吸附、表面態(tài)、表面價電子結(jié)構(gòu)、原子和分子的化學(xué)結(jié)構(gòu)、化學(xué)鍵合情況等信息。圖7為超疏水表面的XPS能譜全圖,從圖中可以看出,超疏水表面中含有-C-F2疏水基團,F1s的XPS譜峰位于688.4eV處。該表面實現(xiàn)了疏水涂層功能的梯度分布,低表面能組分在涂層表面的富集和高結(jié)合強度組分在基底的富集,既強化了涂層與底材的粘附,又使涂層表面具有較低的表面能。從物理特性來講,對同一種液體,固、液兩相接觸面上超疏水固體分子對液體分子的吸引力比親水固體分子的吸引力要小。降低固體表面能是減小流體流動過程中所受粘滯力的有效方法,而超疏水表面由于含有-C-F2等疏水基團,具有比普通金屬低得多的表面能。實驗中利用超疏水表面功能涂層材料改性處理LY12鋁合金模型,其目的就是降低壁面的表面能,從而減小固體分子與液體分子的吸引力或粘附力,減小液體流經(jīng)固體表面時的阻力。2.2超疏水表面的滑移流動規(guī)律超疏水表面的微觀結(jié)構(gòu)與其滑移流動現(xiàn)象的產(chǎn)生有直接聯(lián)系,與表面化學(xué)組成對滑移流動的影響相比較,表面微觀結(jié)構(gòu)顯得更加重要。圖8為超疏水表面微觀結(jié)構(gòu)放大200倍的SEM圖。從圖中可以發(fā)現(xiàn),超疏水表面分布著許多不規(guī)則形狀的凹坑,正是這些特殊微觀結(jié)構(gòu)的存在,使得水滴滴在超疏水表面上時,一部分與空氣相接觸,一部分與離散的表面凸起相接觸。根據(jù)Cassie方程cosθc=f(1+cosθe)?1cosθc=f(1+cosθe)-1式中,θc表示超疏水表面的表觀接觸角,f表示水滴與固體的接觸面占復(fù)合界面的百分?jǐn)?shù)(相應(yīng)地,1-f則表示水滴與空氣的接觸面所占的百分?jǐn)?shù)),θe表示本征接觸角。若以θc=165°、θc=92°來計算,可以得到f=4%。這一數(shù)據(jù)意味著,當(dāng)水滴置于這種超疏水表面上時,只有約4%的面積是水滴和固體表面接觸,而有約96%的面積是水滴和空氣接觸,氣液界面的存在為滑移流動現(xiàn)象的產(chǎn)生提供了有利條件。從流體力學(xué)的角度講,當(dāng)流體流經(jīng)具有微觀結(jié)構(gòu)的超疏水表面時,由于氣液界面的存在促使滑移流動現(xiàn)象產(chǎn)生,使得邊界面上的速度梯度減小,從而減小了邊界面上的剪切力;由于邊界面上的速度梯度減小,推遲了層流附著面流態(tài)的轉(zhuǎn)變,使得附著面的層流流態(tài)更加穩(wěn)定,也使得層流邊界層和層流附面層的厚度增加。這些因素的共同作用產(chǎn)生了減阻效果,減阻機理如圖9所示。3超疏水表面的作用機理通過水洞實驗測試了超疏水表面航行器模型的阻力特性,分析了超疏水表面的表面能特性及滑移特性,獲得如下結(jié)論:(1)超疏水表面具有穩(wěn)定、顯著的減阻效果,最大減阻量超過了20%,在水下航行器上具有廣泛的應(yīng)用前景;(2)-C-F2等疏水基團的存在是超疏水表面具有低表面能效應(yīng)的直接原因,降低