一种多尺度耐磨超疏水减阻表面及其制备方法

本发明涉及流体动力学，具体涉及一种多尺度耐磨超疏水减阻表面及其制备方法。

背景技术：

1、船舶航行时受到的水阻力消耗大量的能源，其中摩擦阻力占总阻力的比例最大，减小摩擦阻力能够为船舶节省大量能源。当水流过固体表面时，由于粘性作用，会对固体表面产生剪切力，是产生摩擦阻力的主要原因。降低摩擦阻力的方法主要包括空气润滑减阻、仿生射流减阻、表面微结构设计、超疏水表面等。空气润滑技术通过主动喷射气体在表面形成空气层实现减阻，但需要安装复杂的泵气系统。仿生射流减阻技术受鲨鱼鳃的射流现象启发，需要在表面安装射流孔。然而，上述两种技术都需要对船体进行改造，成本昂贵，难以大规模应用。相比之下，当超疏水表面与水面接触时，可以在在微纳结构的间隙中束缚空气，从而将表面与水流之间的固液接触转变为固气液接触，使水流在固体表面产生一定的滑移，减小水流对壁面的剪切力，最终降低摩擦阻力。通常认为表面接触角>150°，滑动角<10°的表面为超疏水表面。

2、现有技术中有将超疏水涂层与沟槽结构结合用于实现更为高效的减阻；然后这些沟槽尺寸较大，并且没有调控沟槽间距，未能有效限制高速流动下涡旋的作用，当水流浸入沟槽内，表面整体甚至表现为增阻状态，未达到理想的减阻效果。大部分涂层的耐磨性较差，即使添加了树脂等材料，增强了耐磨性，但微纳结构的特性决定了其仍然难以抵抗与金属等物体接触磨擦导致的微纳结构磨损，肋顶部涂层受到机械磨损后会迅速失效，降低减阻性能，难以应用到实际中。另一方面，当水压较大导致水流浸入沟槽内，甚至完全接触沟槽底部，这增加水流与表面的接触面积，会降低减阻效果，甚至增加表面阻力，目前，很少有研究针对此问题采取合理的解决措施。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种多尺度耐磨超疏水减阻表面及其制备方法，能够解决肋顶部涂层受到机械磨损后会迅速失效以及沟槽内浸水导致的接触面积增大，减阻效率降低甚至增阻的问题。

2、为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种多尺度耐磨超疏水减阻表面，包括：

3、基材，其具有减阻表面；减阻表面包括间隔排列的截面为梯形的大肋和沟槽；所述大肋上端面两侧边设有截面为矩形的小肋；涂覆在小肋、大肋和沟槽表面的超疏水涂层。

4、进一步地，所述沟槽为间距240-360μm，沟槽宽度为160-240μm，沟槽深度为120μm。

5、进一步地，沟槽底部具有多孔灌木状结构。

6、一种多尺度耐磨超疏水减阻表面制备方法，包括以下步骤：

7、步骤1：小肋、大肋和沟槽制备：采用激光频率为30khz、脉冲宽度1μs的脉冲激光以500mm/s的加工速度、0.025mm的加工路径线密度，按图案对基材进行加工16次；加工后的基材进行清洗；

8、步骤2：超疏水涂层乳液制备：将比例为1ml：50mg的十八烷基三氯硅烷和二氧化硅纳米颗粒混合均匀充分反应；

9、步骤3：超疏水涂层喷涂液制备：将步骤2得到超疏水涂层乳液稀释后进行超声分散；

10、步骤4：多尺度耐磨超疏水减阻表面制备：将步骤3得到的超疏水涂层喷涂液均匀喷涂到步骤1得到的小肋、大肋和沟槽表面上，再在室温下干燥后得到多尺度耐磨超疏水减阻表面。

11、进一步地，步骤3所述超声频率为40khz。

12、进一步地，步骤4采用喷枪进行所述喷涂；喷枪口径为0.3mm，喷涂距离为10cm，喷涂时间为1s，干燥时间为24h。

13、进一步地，所述基材为金属材料。

14、与现有技术相比，本发明的有益效果为：

15、1、提供一种多尺度耐磨超疏水减阻表面及其制备方法将沟槽结构的减阻效应与超疏水涂层的高拒水性结合用于水上减阻，实现联合效应。

16、2、在低速流动时，表面沟槽内的涂层阻止水流浸入，减小水流与表面接触面积，减小摩擦力；在高速流动时，沟槽内部分被水浸润，此时，沟槽能够限制高速涡旋对表面的作用，减少摩擦力，即该表面在各种流动状态下都可实现较好的减阻效果且不会失效。

17、3、具有微米级大尺度孔隙和纳米粗糙结构共存的多孔灌木状结构与超疏水涂层结合后能够很大程度地减少沟槽内部与水流的接触面积。

18、4、超疏水涂层和小肋、大肋、沟槽结构制备简单，易于实现，可以达到更优异的减阻稳定性和效率。

技术特征：

1.一种多尺度耐磨超疏水减阻表面，其特征在于：包括：

2.根据权利要求1所述的一种多尺度耐磨超疏水减阻表面，其特征在于：所述沟槽(4)为间距240-360μm，沟槽(4)宽度为160-240μm，沟槽(4)深度为120μm。

3.根据权利要求2所述的一种多尺度耐磨超疏水减阻表面，其特征在于：沟槽(4)底部具有多孔灌木状结构。

4.一种权利要求1-3任意一项所述的多尺度耐磨超疏水减阻表面制备方法，其特征在于：包括以下步骤：

5.根据权利要求4所述的一种多尺度耐磨超疏水减阻表面制备方法，其特征在于：步骤3所述超声频率为40khz。

6.根据权利要求5所述的一种多尺度耐磨超疏水减阻表面制备方法，其特征在于：步骤4采用喷枪进行所述喷涂；喷枪口径为0.3mm，喷涂距离为10cm，喷涂时间为1s，干燥时间为24h。

7.根据权利要求3或6所述的一种多尺度耐磨超疏水减阻表面，其特征在于：所述基材为金属材料。

技术总结本发明涉及流体动力学技术领域，具体涉及一种多尺度耐磨超疏水减阻表面及其制备方法，包括：基材，其具有减阻表面；减阻表面包括间隔排列的截面为梯形的大肋和沟槽；所述大肋上端面两侧边设有截面为矩形的小肋；涂覆在小肋、大肋和沟槽表面的超疏水涂层。能够解决肋顶部涂层受到机械磨损后会迅速失效以及沟槽内浸水导致的接触面积增大，减阻效率降低甚至增阻的问题。超疏水涂层和小肋、大肋、沟槽结构制备简单，易于实现，可以达到更优异的减阻稳定性和效率。技术研发人员：赵婧,曲江鹏,贺鹏丞,孙若愚,莫继良,程子晋,李顺受保护的技术使用者：西南交通大学技术研发日：技术公布日：2024/6/2