摘要
近年来，固液界面减阻已成为热点研究课题。该技术在水下航行、流体运输和微流体器件领域都具有广泛应用前景。固液界面减阻通常采用氟化物来进行表面修饰从而降低表面自由能，但其价格昂贵成本高，制备过程中易水解失效难以降解而破环生态环境。从生物仿生学角度获取灵感，可实现固液界面高效减阻性能，而通过物理和化学制备构建特殊的表面形貌来实现减小两相间界面摩擦力的效果。最近利用疏水特性开展减阻方面的研究逐渐引起广大科研工作者的重视。超疏水减阻是利用水在固体表面接触角大于等于150°情况下的一种减小阻力方法，其减阻效果良好但其理论研究并不完善。金属通常作为工程领域中液体输运管道的基本材料，这使得各类金属及其合金表面的摩擦阻力特性研究显得尤为重要。 本文分别从理论和实验方面研究金属表面固液界面的超疏水减阻性能，包括从三角形微观形貌结构建立仿真模型分析固液界面减阻规律;从实验方面针对系列制备方法得到的不同超疏水金属基底表面开展润湿和减阻特性研究。具体研究内容如下: (1)构建三角形微结构形貌的固液界面减阻模型，分析三角形微结构模型中顶角角度、深度及间距对固液界面减阻的影响。结果显示三角形微结构顶角影响近壁面流速梯度、滑移长度和固液界面摩擦阻力，其中三角形顶角越小减阻特性越好。实验制备三角形微结构形貌的超疏水表面，进行减阻特性测试，用于验证三角形微结构减阻的理论结果，测量了不同三角形顶角角度的超疏水表面与水的摩擦阻力，实验测试结果显示其与模拟仿真中三角形微结构顶角角度与固液摩擦阻力的影响规律一致，实测摩阻平均值与仿真结果误差在10％以内。 (2)实现在铜基底表面进行一步电沉积方法制备超疏水表面，进行了微观形貌表征，得到该表面静态接触角158.8±0.2°，滚动角为1°，可见在铜基底表面形成了超疏水表面微结构。开展的固液界面减阻测试显示该表面在1.78m/s流速下的减阻率约为22.5％。由于金属铜具有较高的表面自由能，该方法制备的表面明显不同于主流采用两步制备的超疏水表面，简化了传统的制备过程，提高了制备效率，提高了耐腐蚀特性。 (3)通过化学腐蚀方法制作了铝合金基底的无氟化超疏水表面，整个工艺过程具有简单和绿色环保无毒的特点。使用松香、石蜡和炭黑三种天然疏水物质替代传统氟化物制备超疏水表面。经过固液界面减阻测试发现炭黑涂层改性的铝合金超疏水表面疏水性最好，滚动角低至1.38°且接触角为155°，当来流流速为1.78m/s，其减阻率达到22.2％。在模拟海水中测试结果为腐蚀电压为-0.379V，电流密度为6.96×10-6A·cm-2，说明其耐腐蚀性良好。 (4)提出有机无机复合涂层配合阳极氧化方法制备铝基超疏水表面的方法，采用低成本原材料降低氟化剂的用量，调控阳极氧化法中氧化时间和电解液浓度参数，使用复合涂层增强与微结构化金属基底的结合力，增强表面的机械稳定性。根据矩阵分析法得到最优制备参数，获得了接触角为160°且滚动角约为1°的超疏水表面。固液界面超疏水减阻特性结果显示相较于之前一步电沉积铜基、化学腐蚀铝合金基底超疏水表面具有更加优异的超疏水特性和减阻特性。
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