一种超滑弹性膜小球及其制备方法、应用和研究水下减阻性能的实验装置及方法
本发明属于属于水下减阻，特别是涉及一种超滑弹性膜小球及其制备方法、应用和研究水下减阻性能的实验装置及方法。
背景技术：
1、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。
2、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。
3、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。在先的相关研究中，专利cn115923989a公开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，该方法在小球表面修饰janus微结构，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。
技术实现思路
1、热带植物猪笼草有一个装满消化液的大袋子笼身，笼身上缘部有一个拱形的口缘。当昆虫被吸引到口缘处时会滑倒掉入笼身并被消化掉。通过高速摄像机观察，发现缘口表面是特殊的两级微槽结构，当有液体浸润口缘表面上，会被持续润湿，形成超润滑结构。受到猪笼草表面特殊结构的启发，研究者发现了一种具有优异性能的超滑涂层，并将其称为slippery liquid infused porous surfaces(slips)。slips材料由于独特的性能被广泛应用于油水分离、防污、防腐、减阻等领域。受slips结构的启发，发明人制备了不同pdms膜包覆小球。发明人将小球从不同高度释放然后撞击水面入水。当小球撞击入水时，如果膜的交联程度越高，膜包覆面积越大，形成的空气开口非常容易闭合，导致后续的空气难以进入。当膜的交联程度最小，包覆面积最小时，小球撞击水面入水能够形成一个相对完整的空泡。然后，发明人给膜包覆后的小球充分浸润硅油，发现小球撞击液面后，形成完整空腔的临界高度大幅下降。发明人的研究为仅通过给小球包覆不同浸润性的pdms膜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。
2、本发明的第一方面在于公开一种超滑弹性膜小球，包括钢球，以及在所述钢球表面上形成的超滑涂层；
3、优选地，所述钢球的直径为5-20mm，进一步优选为10-15mm；
4、在本发明的一些实施方式中，所述超滑涂层由pdms经固化剂固化制成；
5、优选地，所述超滑涂层的制备中，所述pdms和固化剂的重量比例为10：(0.1-5)，进一步优选为10：(0.6-1.4)。
6、在本发明的一些实施方式中，所述超滑涂层的面积占所述钢球表面积的(1-4)/4。
7、本发明的第二方面在于公开第一方面所述的超滑弹性膜小球的制备方法，包括以下步骤：
8、s01，钢球表面清洗与前处理；
9、s02，pdms膜的制备：取pdms，与固化剂混合、搅拌，得到一定交联程度的pdms；
10、s03，将s02步骤得到的pdms膜涂覆到s01步骤处理好的钢球上；
11、s04，将s03步骤涂覆好的钢球进行后处理。
12、在本发明的一些实施方式中，s01中，所述清洗与前处理为使用正己烷和无水乙醇超声清洗掉所述钢球表面的油污和氧化层；
13、优选地，还包括吹干、加热干燥或自然晾干的步骤。
14、在本发明的一些实施方式中，s03中，对s01步骤处理好的钢球沉没到s02步骤得到的pdms膜中；
15、优选地，所述沉没前对所述s01步骤处理好的钢球的部分区域进行保护，进一步优选为所述部分区域为整个钢球表面积的0、1/4，1/2，或3/4；
16、优选地，沉没到pdms膜中静置，进一步优选静置0.5-1.5min。
17、在本发明的一些实施方式中，s04中，所述后处理为固化，优选在55℃-65℃固化4.5-5.5h；
18、优选地，s04中，所述后处理还包括所述固化后的浸润；进一步优选为用硅油浸入0.5-1.5天。
19、本发明的第三方面在于公开第一方面所述的超滑弹性膜小球在水下减阻性能研究中的应用。
20、本发明的第四方面在于公开一种研究水下减阻性能的实验装置，包括至少一个第一方面所述的超滑弹性膜小球。
21、本发明的第五方面在于公开一种研究水下减阻性能的实验方法，用至少一个第二方面所述的超滑弹性膜小球撞击自由水面，并记录入水撞击水面空泡形成过程以及水下运动过程。
22、有益效果：
23、本发明的一些实施方式提供不同交联程度不同包覆面积超滑弹性涂层的空泡形成、调控及减阻方法，将跨介质入水的入水空泡产生策略与slips超滑涂层相结合，有效提高水下减阻效率，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交联程度pdms膜的表面维持气膜，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。
技术特征：
1.一种超滑弹性膜小球，其特征在于，包括钢球，以及在所述钢球表面上形成的超滑涂层；
2.根据权利要求1所述的超滑弹性膜小球，其特征在于，所述超滑涂层由pdms经固化剂固化制成；
3.根据权利要求1或2所述的超滑弹性膜小球，其特征在于，所述超滑涂层的面积占所述钢球表面积的(1-4)/4。
4.一种根据权利要求1-3任一所述的超滑弹性膜小球的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
5.根据权利要求4所述的超滑弹性膜小球的制备方法，其特征在于，s01中，所述清洗与前处理为使用正己烷和无水乙醇超声清洗掉所述钢球表面的油污和氧化层；
6.根据权利要求4或5任一所述的超滑弹性膜小球的制备方法，其特征在于，s03中，对s01步骤处理好的钢球沉没到s02步骤得到的pdms中；
7.根据权利要求4-6任一所述的超滑弹性膜小球的制备方法，其特征在于，s04中，所述后处理为固化，优选在55℃-65℃固化4.5-5.5h；
8.一种根据权利要求1-3任一所述的超滑弹性膜小球在水下减阻性能研究中的应用。
9.一种研究水下减阻性能的实验装置，其特征在于，包括至少一个根据权利要求1-3任一所述的超滑弹性膜小球。
10.一种研究水下减阻性能的实验方法，其特征在于，用至少一个根据权利要求1-3任一所述的超滑弹性膜小球撞击自由水面，并记录入水撞击水面空泡形成过程以及水下运动过程。
技术总结
本发明公开了一种超滑弹性膜小球及其制备方法、应用和研究水下减阻性能的实验装置及方法，属于水下减阻技术领域。该小球，包括钢球，以及在所述钢球表面上形成的超滑涂层。本方法的一些实施方式得到的超滑弹性膜小球，提供不同交联程度不同包覆面积超滑弹性涂层的空泡形成、调控及减阻方法，将跨介质入水的入水空泡产生策略与SLIPS超滑涂层相结合，有效提高水下减阻效率，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。
技术研发人员：王景明,何波,尚香村,陈海燕,焦文倩
受保护的技术使用者：北京化工大学
技术研发日：
技术公布日：2024/9/23