一种微结构修饰小球表面空泡气膜形成、调控及减阻方法

1.本发明涉及水下航行器高速低耗技术领域，尤其涉及一种一种微结构修饰小球表面空泡气膜形成、调控及减阻方法。


背景技术：

2.降低水中和水面航行器的阻力对于降低水路航运成本、降低燃料能耗和排放以及提高航行器的速度有着重要的意义。有统计显示，目前海运贸易占到了全球贸易总量的90％以上，而多数船只的动力来源是柴油等化石能源，这对未来“碳中和”和可持续发展目标提出了严峻的挑战；在军事领域，发展新型的高速水面和水下武器意味着可以快人一步击毁敌方舰艇，这也是未来多国海军的发展方向。
3.航行器在水中受到的阻力主要分为摩擦阻力和压差阻力，这两种力的来源和性质不同。摩擦阻力则来源于靠近航行器壁面极薄一层流体的粘性力，主要决定于固-液界面的相互作用效应以及流体的粘性。而压差阻力来源于航行器表面各处流体压力大小的不同，主要决定于航行器周围流体的流动和分布状态。对于流线型物体(比如，潜艇或鱼雷)，摩擦阻力比重远远大于压差阻力。对于钝体，压差阻力远远大于摩擦阻力，压差阻力约占90％。因此，对于钝体水动力减阻而言，减少压差阻力非常重要。
4.目前，压差阻力减阻的创新型方法是通过引入空泡从而修饰钝体的形状为流线型。空泡的形成过程主要有两种，自然空泡和通气空泡。自然空泡的形成原理是依据伯努利方程，水下固体运动速度足够高使得物体头部附近的水气化而生成的空泡现象。但在低速下，固体撞击水面入水时，通气空泡主要依赖于空气捕获过程。在这个撞击过程中，沿着固体表面发生水的扰动与水的溅射形成溅射冠，从而有利于随后的空气进入。随着固体的持续下落，更多的空气被夹带进入空腔。接着，由于周围水静水压力和毛细力的作用，空腔中部逐渐收缩，直至被夹断，形成流线状空泡。水对固体界面的调控行为(即水扰动和水向外溅射)显著依赖于固体的表面性质，包括润湿性，微结构以及表面能分布。超疏水界面通常由低表面能化学物质与粗糙结构组成。当超疏水界面撞击水面时，水并不能浸润超疏水界面的微/纳或者微/纳粗糙结构，形成cassie-baxter态，从而发生水的溅射。因此，粗糙结构对水在界面处发生溅射起着重要的作用。但是，目前还没有相关研究人员研究粗糙结构的位置以及修饰比例是如何促进水在带有低表面能化学物质的粗糙结构界面处发生水的溅射。


技术实现要素：

5.基于背景技术存在的问题，本发明提供了一种微结构修饰小球表面空泡气膜形成、调控及减阻方法。
6.本发明为仅通过设计微结构的位置与修饰比例来调控水膜在球体界面上的行为和空泡的捕获与形状提供了一种新的研究思路。
7.本发明通过以下技术方案实施：
8.一种微结构修饰小球表面空泡气膜形成、调控及减阻方法，所述微结构修饰小球包括微结构区域和非微结构区域，所述微结构区域呈超疏水性，所述非微结构区域呈疏水性，通过改变微结构区域的位置和所占比例来调控水膜在球体界面上的行为和空泡的捕获与形状。
9.进一步地，所述微结构修饰小球中微结构区域的位置为小球头部，所述微结构为janus微结构。
10.进一步地，所述微结构修饰小球中按小球正投影修饰部分在直径上的截距所占比例计微结构区域的比例为1/8～1。
11.进一步地，小球为铜球或镀铜钢球。
12.进一步地，在小球表面修饰janus微结构包括如下步骤：
13.s1、小球表面清洗；
14.s2、对小球表面进行选择性刻蚀；
15.s3、对小球表面进行疏水修饰；
16.s4、将小球烘干，保存备用。
17.进一步地，s1中小球表面清洗具体为：小球依次经过无水乙醇、稀释的浓硫酸以及去离子水清洗，除尽小球表面的油污，氧化层以及残留的硫酸，将清洗后的小球放入无水乙醇中暂存，防止小球表面被氧化。
18.进一步地，s2中对小球表面进行选择性刻蚀具体为：将清洗后小球从无水乙醇中取出后吹干，并将其固定在磁铁的下部，磁铁垂直固定在铁架台的铁夹上作为升降装置，通过调节升降装置的微调装置，将小球浸入刻蚀液中，浸泡刻蚀10分钟，将制备得到的不对称微结构小球用去离子水洗涤后放入无水乙醇中保存，防止小球表面发生氧化。铜本身表现出亲水性，浸泡刻蚀后得到的氢氧化铜纳米针簇表现出超亲水的性质。因而，选择性刻蚀后的小球无需修饰即表现出整体亲水的性质。
19.进一步地，刻蚀液为含有2.5mol/l的naoh和0.130mol/l的(nh4)2s2o8混合液。
20.进一步地，通过微调装置控制小球浸入刻蚀液的深度，按小球正投影修饰部分在直径上的截距所占比例计，janus微结构修饰比例为1/8～1，具体地，janus微结构修饰比例可以为1/8、1/6、1/3、1/2、2/3、1等。
21.进一步地，s3中对小球表面进行疏水修饰具体为：将刻蚀后小球放入硫醇的乙醇溶液中浸泡8h后取出，将制备得到的整体上疏水的不对称微结构小球用无水乙醇清洗。
22.进一步地，硫醇的乙醇溶液配置方法为将100～150mg正十六烷硫醇溶解于100ml无水乙醇中。
23.进一步地，微结构修饰小球光滑部分呈现疏水性，微结构修饰部分呈现超疏水性。
24.本发明的有益效果：
25.本发明提供不同微结构修饰比例表面的空泡气膜形成、调控及减阻方法，将跨介质入水的入水空泡产生策略与气膜减阻技术相结合，有效提高水下减阻效率，使得气膜不仅在全刻蚀表面上形成，而且能在部分刻蚀表面上形成，即在不同微结构修饰比例表面上形成(微结构修饰比例为1/8,1/6,1/3,1/2,2/3和1)，从而解决现有水下减阻技术中能耗高、对航行器表面有损伤和维护成本高等问题，该方法能耗低，不需要外界加热、电解等条件，可以在较低的速度条件下在不同微结构修饰比例的表面维持气膜，制作成本和维护成
本相对低廉，采用的原料均无毒无放射作用，不会对环境产生不良作用。
附图说明
26.附图用来提供对本发明的进一步解释，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：
27.图1为小球表面janus微结构的表征；其中，(a)为七种不同微结构比例janus小球的光学照片；(b)为小球未刻蚀部分的扫描电镜照片；(c)为小球刻蚀部分的扫描电镜照片；(d)为介于未刻蚀区域与刻蚀区域之间分界线的扫描电镜照片；
28.图2为空泡形成过程以及水下减阻性能测试的实验装置图；
29.图3为janus微结构小球朝两种相反方向撞击水面的过程图；
30.图4为不同微结构修饰比例与撞击方向的小球撞击水面入水过程图；
31.图5为不同janus微结构撞击方向和微结构修饰比例的小球在水下形成空泡的阻力系数的对比图。
具体实施方式
32.下面结合具体实施例对本发明的技术方案做进一步的详述，但本发明的保护范围并不仅限于以下实施例。
33.以下实施例中，刻蚀液为含有2.5mol/l的naoh和0.130mol/l的(nh4)2s2o8混合液；硫醇的乙醇溶液是将120mg正十六烷硫醇溶解于100ml无水乙醇中。
34.实施例1
35.在小球表面修饰janus微结构，包括如下步骤：
36.s1、小球依次经过无水乙醇、稀释的浓硫酸以及去离子水清洗，除尽小球表面的油污，氧化层以及残留的硫酸，将清洗后的小球放入无水乙醇中暂存，防止小球表面被氧化；
37.s2、将清洗后小球从无水乙醇中取出后吹干，并将其固定在磁铁的下部，磁铁垂直固定在铁架台的铁夹上作为升降装置，通过调节升降装置的微调装置，将小球浸入刻蚀液中，按小球正投影修饰部分在直径上的截距所占比例计，小球浸入刻蚀液中的比例为1/8，浸泡刻蚀10分钟，将制备得到的不对称微结构小球用去离子水洗涤后放入无水乙醇中保存，防止小球表面发生氧化；
38.s3、将刻蚀后小球放入硫醇的乙醇溶液中浸泡8h后取出，将制备得到的整体上疏水的不对称微结构小球用无水乙醇清洗；
39.s4、将整体上疏水的不对称微结构小球烘干，保存备用。
40.实施例2
41.与实施例1不同的是，s2中按小球正投影修饰部分在直径上的截距所占比例计，小球浸入刻蚀液中的比例为1/6。
42.实施例3
43.与实施例1不同的是，s2中按小球正投影修饰部分在直径上的截距所占比例计，小球浸入刻蚀液中的比例为1/3。
44.实施例4
45.与实施例1不同的是，s2中按小球正投影修饰部分在直径上的截距所占比例计，小
球浸入刻蚀液中的比例为1/2。
46.实施例5
47.与实施例1不同的是，s2中按小球正投影修饰部分在直径上的截距所占比例计，小球浸入刻蚀液中的比例为2/3。
48.实施例6
49.与实施例1不同的是，s2中小球完全浸入刻蚀液中。
50.试验例1
51.对实施例1-6小球表面的janus微结构进行表征，具体结果如图1所示。
52.图1中(a)为七种不同微结构比例janus小球的光学照片，从左到右，janus微结构比例依次是0、1/8、1/6、1/3、1/2、2/3以及1。(b)为小球未刻蚀部分(janus微结构比例为1/3)的扫描电镜照片。在更高倍率的扫描电镜照片上可以看到未刻蚀区域不规则地分布着凸起物。(c)为小球刻蚀部分(janus微结构比例为1/3)的扫描电镜照片。在更高倍率的扫描电镜照片上可以看出刻蚀区域分布着簇状的微米针。(d)为介于未刻蚀区域与刻蚀区域之间分界线的扫描电镜照片。从扫描电镜上，可以看出分界线非常清晰。在更高倍率的扫描电镜照片上可以看出在边界区有一个微结构梯度过渡的区域。
53.试验例2
54.实验采用长20.0cm,宽15.0cm，高80.0cm的由聚甲基丙烯酸甲酯制成的矩形水槽盛水，实验装置如图2所示。第一步，不对称小球由电磁铁固定在距离水面一定高度的位置，通过断电静止释放小球，使小球自由下落并以一定的速度撞击自由水面，在水槽内保持一定的速度下落。第二步，两台高速摄像机(i-speed713,ix,uk；i-speed513,ix,uk)分别记录不同微结构释放方式(微结构朝上释放和微结构朝下释放)，不同微结构修饰比例(微结构修饰比例为1/8,1/6,1/3,1/2,2/3和1)，不同释放高度(0cm,10cm,20cm,30cm,50cm,70cm)的小球入水撞击水面空泡形成过程以及水下60-80cm小球匀速运动过程，分析小球的速度与空泡体积，进行减阻性能的评估。
55.图3为当小球的释放高度为30.0cm(对应的撞击速度为2.425m/s)时，janus微结构小球(微结构修饰比例为1/3)朝两种相反方向撞击水面的过程图。(a)小球的janus结构分别以朝上与朝下两种相反反向接触水面时的示意图。以粗糙结构区域的几何中心为坐标原点o，
“‑”
与“+”分别表示小球janus微结构的下落方向。图b，c分别是janus微结构小球(直径为12.7mm)分别向上(b)与向下(c)撞击水面的入水过程图。
56.图4为当小球的释放高度为30.0cm(对应的撞击速度为2.425m/s)时，不同微结构修饰比例(微结构修饰比例为1/8,1/6,1/3,1/2,2/3和1)与撞击方向(微结构朝上释放和微结构朝下释放)的小球撞击水面入水过程(a)以及水下匀速运动过程(b)的选图。小球水下匀速过程的选图选取于水下60-80cm。
57.图5为在水下深度60.0cm到80.0cm时，不同janus微结构撞击方向(微结构朝上释放和微结构朝下释放)和微结构修饰比例(微结构修饰比例是1/8,1/6,1/3,1/2,2/3和1)的小球在水下形成空泡的阻力系数(cd)的对比。实心矩形代表小球的微结构朝上释放；实心圆代表小球的微结构朝下释放。浅色区域代表没有空泡区域；深色区域代表空泡区域。小球的释放高度为30.0cm,对应的撞击速度为2.425m/s。
58.荷叶结构是典型的janus微结构界面的例子。荷叶的上部分由带有纳米晶体的微
米乳突组成，下部分由带有纳米沟槽结构的板状乳突组成。由于这种janus微结构实现了荷叶表面上部分在空气中的超疏水性，下部分在水下的超疏油性。
59.受荷叶表面janus结构的启发，我们制备了不同微结构修饰比例的小球。微结构区域呈超疏水性，非微结构区域呈疏水性。我们将小球微结构分别朝上和朝下从不同高度释放，撞击水面入水。从图4和5结果可以看出，当我们将小球微结构朝上释放入水时，如果微结构区域非常小，比如微结构修饰比例为1/8或者1/6，形成的空气开口非常容易闭合，导致后续的空气难以进入。当微结构修饰比例达到1/3时,小球撞击水面入水能够形成一个相对完整的空泡。然而，当我们将小球微结构朝下释放入水时，仅需要在小球头部修饰少许的微结构(比如1/8或者1/6)，水膜便能在达到极点前脱离球体，在小球的上方形成开口，从而后续空气夹带进而形成空泡。
60.最后应说明的是：以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，并不用以限制本发明创造，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明创造的保护范围之内。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

技术特征：
1.一种微结构修饰小球表面空泡气膜形成、调控及减阻方法，其特征在于，所述微结构修饰小球包括微结构区域和非微结构区域，所述微结构区域呈超疏水性，所述非微结构区域呈疏水性，通过改变微结构区域的位置和所占比例来调控水膜在球体界面上的行为和空泡的捕获与形状。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述微结构修饰小球中微结构区域的位置为小球头部，所述微结构为janus微结构。3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述微结构修饰小球中按小球正投影修饰部分在直径上的截距所占比例计微结构区域的比例为1/8～1。4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，小球为铜球或镀铜钢球。5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在小球表面修饰janus微结构包括如下步骤：s1、小球表面清洗；s2、对小球表面进行选择性刻蚀；s3、对小球表面进行疏水修饰；s4、将小球烘干，保存备用。6.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，s1中小球表面清洗具体为：小球依次经过无水乙醇、稀释的浓硫酸以及去离子水清洗，将清洗后的小球放入无水乙醇中暂存。7.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，s2中对小球表面进行选择性刻蚀具体为：将清洗后小球从无水乙醇中取出后吹干，并将其固定在磁铁的下部，磁铁垂直固定在铁架台的铁夹上作为升降装置，通过调节升降装置的微调装置，将小球浸入刻蚀液中，浸泡刻蚀10分钟，将制备得到的不对称微结构小球用去离子水洗涤后放入无水乙醇中保存。8.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，刻蚀液为含有2.5mol/l的naoh和0.130mol/l的(nh4)2s2o8混合液。9.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，s3中对小球表面进行疏水修饰具体为：将刻蚀后小球放入硫醇的乙醇溶液中浸泡8h后取出，将制备得到的整体上疏水的不对称微结构小球用无水乙醇清洗。10.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，硫醇的乙醇溶液配置方法为将100～150mg正十六烷硫醇溶解于100ml无水乙醇中。

技术总结
本发明提供了一种微结构修饰小球表面空泡气膜形成、调控及减阻方法。通过设计微结构的位置与修饰比例来调控水膜在球体界面上的行为和空泡的捕获与形状。将跨介质入水的入水空泡产生策略与气膜减阻技术相结合，有效提高水下减阻效率，使得气膜不仅在全刻蚀表面上形成，而且能在部分刻蚀表面上形成，即在不同微结构修饰比例表面上形成，从而解决现有水下减阻技术中能耗高、对航行器表面有损伤和维护成本高等问题。本高等问题。本高等问题。


技术研发人员：王景明 谢婧婧 姚常壮
受保护的技术使用者：北京化工大学
技术研发日：2022.11.22
技术公布日：2023/4/17