仿生表面减阻的研究现状与进展

仿生表面减阻是众多减阻方法中非常有前景的减阻方式。目前研究最多的是仿生鲨鱼皮减阻和仿生超疏水表面减阻,其中仿生鲨鱼皮表面减阻又分为直接复刻鲨鱼皮表面的盾鳞结构和仿鲨鱼皮沟槽减阻。文中介绍了国内外关于仿生减阻的最新研究进展及成果,综述了仿生鲨鱼皮表面减阻和仿生超疏水表面减阻的研究现状,探讨了仿生表面减阻未来的发展方向和研究重点。虽然仿生超疏水表面一般都具有粗糙的表面微纳结构以及较低的表面能,但不是所有的超疏水表面都具有减阻效果,因此超疏水表面的减阻效果还需要一个度量标准。     

大颗粒陶瓷聚合物三维自组装表面轮廓特征的控制与减阻性能

运用大尺寸自组装技术,以聚氨酯/环氧互穿网络(IPN)树脂液为组装液、大颗粒陶瓷聚合物为填充物及特种助剂制备一种与荷叶表面具有相似微结构的自组装涂层。通过改变聚合物颗粒的粒径和含量控制自组装涂层表面轮廓结构达到理想状态,在自制压差减阻试验平台上检验不同涂层表面的减阻效果,优化颗粒粒径和含量的选择以及最佳的轮廓表面。为大尺寸自组装技术在大面积减阻涂层中的应用提供可行性路线。     

离心泵仿生微结构叶片减阻特性的仿真研究

目的 通过在离心泵叶片表面布置仿生微结构实现离心泵的减阻，并获得仿生微结构的最优化设计参数。方法 研究利用仿真模拟的方法，采用离心泵的扭矩变化对其减阻性能进行表征，考虑了仿生微结构的形态、截面形状和特征高度等结构参数的影响规律，通过分析叶片表面的湍流动能、剪切应力和近壁面层的速度云图揭示仿生微结构对离心泵减阻特性的影响机理。结果 在3种微结构形态中，流向沟槽的减阻效果最好;在3种截面形状的微结构中，矩形截面的减阻效果最好;离心泵减阻率并非随微结构特征尺寸单调变化，而是存在最优值;所有微结构的减阻率均随着流量的增加而增加。当叶片表面布置流向、矩形沟槽时离心泵具有最优的减阻效果，且在全流量工况范围流向矩形沟槽结构的最大减阻率为8.39%。结论 叶片表面微结构的布置可以实现离心泵减阻，其减阻机理与近壁面流体流动行为有关。表面微结构可有效降低叶片壁面的速度梯度，使速度沿壁面法线方向过渡更加均匀，且微结构内部低速流体层可有效控制和减弱近壁面区的湍动程度，减少湍流动能损耗;同时微沟槽内的反向涡流具有类“滚动轴承”作用，将滑动摩擦转换为滚动摩擦，降低摩擦阻力。     

飞秒激光与电沉积复合工艺制备不锈钢超疏水表面及减阻性能EI北大核心CSCD

在远程管道运输过程中,固液间摩擦阻力是一个不容忽视的问题,类鲨鱼结构减阻效率低且制备困难。基于荷叶表面仿生思想,构筑微结构制备超疏水表面,减小摩擦阻力。采用飞秒激光刻蚀与电沉积复合工艺,在不锈钢表面构筑框-锥多级结构,经自组装氟硅烷制备超疏水表面,讨论复合工艺参数对微结构形貌及润湿性能的影响,探究框-锥多级结构超疏水表面减阻。结果表明,利用飞秒激光可获得周期性分布的框结构,随着激光功率的增加,微米框结构内部形成不规则沟壑金属堆积物,且关光延时的增长会产生单侧分布微孔结构,损伤基体整体强度;通过电沉积工艺制备亚微米尖锥结构镍镀层,随着电流密度的增加,镀层微结构形态发生变化,形成亚微米尖锥石结构,表面由疏水转变为超疏水。与激光刻蚀10次自组装氟硅烷涂层试样相比,激光刻蚀与电沉积复合工艺自组装氟硅烷涂层的试样表面接触角由138.6°提高到156.7°,对水和30wt.%甘油的减阻率分别由8.17%、14.38%提高到27.74%、23.69%。将激光刻蚀与电沉积相结合,构筑微纳结构经自组装制备超疏水表面,可为降低管道输运中固液间摩擦阻力提供新的技术途径。     

草莓状PS/SiO 2复合磨料的可控合成及其抛光性能

以经过聚乙烯吡咯烷酮(PVP)进行表面修饰的聚苯乙烯(PS)微球为内核,在碱性条件下采用溶胶?凝胶法在PS微球直接包覆SiO 2,制备有机/无机PS/SiO 2复合微球,通过控制反应体系中正硅酸乙酯(TOES)的浓度来控制复合微球中氧化硅的质量分数,并借助原子力显微镜(AFM)考察了PS/SiO 2复合磨料对硅热氧化片的抛光特性,初步分析有机/无机复合磨料的非刚性力学特性对抛光质量的影响。透射电镜(TEM)结果显示：复合微球具有草莓状核壳包覆结构,其氧化硅壳层是由SiO 2纳米颗粒所组成;热失重分析(TGA)表明：样品中氧化硅含量为12%~69%(质量分数)。AFM测试结果表明：复合磨料中氧化硅的含量对抛光后晶片的微观形貌、粗糙度及表面轮廓具有明显的影响。     

船舶减阻表面工程技术研究进展

船舶减阻是实现船舶节能减排,构建绿色低碳船舶的关键。船舶被动减阻方法主要有仿生结构减阻、柔性壁减阻、超疏水表面减阻、防污涂层减阻等。按机理将被动减阻方法细分为结构型和物理化学型减阻,结构型减阻是模仿自然界水下生物表面结构以达到减阻效果;物理化学型减阻是赋予表面一定特点,如柔性、超疏水性、防污性等,以通过减少表面摩擦阻力、提高边界稳定性、减轻自重等方式达到船舶减阻的目的。结构型减阻表面构建方法主要有走丝线切割技术(EDM)、滚压成型技术、压印法、浇筑翻模法、涂料喷涂加工技术、激光刻蚀法、三维打印法等;物理化学型减阻表面构建方法主要有涂料喷涂加工技术、旋涂法、化学腐蚀法、溶胶–凝胶法、电化学沉积、静电纺丝、相分离、等离子体处理等。针对以上减阻技术研究现状进行综述,主要从微观机理出发,总结现有文献中制备船舶减阻表面的技术以及存在的问题,并提出多种减阻方法协同作用解决现有问题,指明船舶减阻技术的发展趋势,为船舶减阻技术的研究与应用提供指导。     

有机硅自润滑组分对自抛光涂层防污、减阻性能的影响

目的 制备一种兼具海洋防污和流体减阻功能的绿色海洋装备防护涂层。方法 将长链线型有机硅自润滑组分化学键合到自抛光黏结树脂中,与一定的无机填料复配,通过喷涂的方法制备了具有自润滑特性的自抛光防污减阻涂层。通过铅笔硬度测试、抗冲击测试、划格法附着力测试、涂层柔韧性测试、三维轮廓测试、表面接触角表征和固–液摩擦测试,分别评价了涂层的硬度、抗冲击性、附着力、黏弹性、表面粗糙度、表面润湿性能和自润滑特性,并通过抗蛋白和海藻黏附、海洋挂片试验和旋转流变仪分别表征了涂层的防污、流体减阻性能。结果 随着涂层黏结树脂中有机硅自润滑组分含量增多,涂层的硬度由2H变为4B,结合力由0级变为2级,涂层的抗冲击性能略有下降,接触角由65°上升至92°,涂层的表面粗糙度均小于500nm,但涂层的自润滑性质、防污性能和减阻性能却不断增强,摩擦因数（干磨）由0.119下降为0.075。当有机硅质量分数超过20%时,涂层的防海藻黏附效率达到97%,减阻率达到10%以上。海洋挂片进一步证明涂层具有优异的综合防护性能。结论 长链线型有机硅虽然一定程度上降低了涂层的硬度和附着力,但由于其特殊的性质,可在满足实际工况需求的前提...     

敲击间隔对GDP微球表面Al涂层的影响

金属涂层作为惯性约束聚变空心微球的保护层,对提高靶丸的性能具有重要的作用。利用磁控溅射技术和旋转与敲击相结合的驱动方式,在辉光放电聚合物微球表面溅射铝涂层,探究改变敲击间隔时长对微球涂层的影响。利用X射线照相机、白光干涉仪、扫描电镜和X射线衍射仪对微球铝涂层进行表征分析。结果表明:空心微球表面的铝涂层厚度为(2±0.1)μm,表面粗糙度控制在75 nm以下,涂层表面光滑、无裂缝,呈柱状晶生长,(111)晶面为择优取向晶面,试验重复性好。同时发现:敲击能有效改善微球涂层生长过程中的阴影效应,增加涂层的壁厚均匀性并影响微球涂层的表面粗糙度。当敲击间隔为15 s时,微球铝涂层的综合质量最佳,壁厚均匀性达93.5%,表面粗糙度为30.43 nm,优晶面的晶粒尺寸为13.66 nm。     

中国工程物理研究院 激光聚变研究中心，四川 绵阳 621900

以聚苯乙烯微球(PS)为模板,采用"种子-生长"法在聚苯乙烯微球表面直接镀覆具有自支撑性的金壳层,成形热处理去除PS模板,成功制备出空心微球结构圆柱形块体的泡沫金样品,并对其制备工艺进行了研究。研究表明:平均晶粒尺寸为4.6nm的金纳米粒子通过静电作用可成功粘附于交联聚苯乙烯微球(PS-DVB)表面。化学镀时以粘附的金纳米粒子为种子继续生长,沉积的金颗粒细小而致密,粒径主要分布于30～60nm,且微球表面金沉积层的包覆率高,包覆厚度70～90nm,PS模板去除后金沉积层具有良好的自支撑性。采用类似粉浆铸造工艺使gold/PS有孔隙地随机堆积成型,热处理去除聚苯乙烯模板后可成功获得圆柱体形状的泡沫金样品。制备的泡沫金由直径8～9μm的空心球壳组成,圆柱体直径约4mm,密度约1.5g/cm3,孔隙率高达92%。     

影响内减阻涂层质量因素分析及对策探讨

简述了内涂层减阻技术的基本原理和内涂环氧减阻涂料的基本方法,指出了内减阻技术关键是内减阻涂料和涂敷过程;介绍了国内外减阻涂料、API标准对减阻涂料的要求和施工设备、生产工艺流程等情况;分析了涂层附着力、光洁度、厚度对内减阻涂层质量的影响。着重讨论了涂层附着力、光洁度、厚度等缺陷的形成原因,并探讨了相应的对策,总结了内减阻涂层涂敷过程的质量控制的重要意义。     

Microstructure and corrosion resistance of simultaneous Al-Fe coating on copper by pack cementation

Simultaneous Al-Fe coatings on copper were prepared by pack cementation to investigate the microstructure and corrosion resistance. The cross-section of prepared specimen was analyzed by scanning electron microscope (SEM) equipped with an energy dispersive X-ray spectrometer (EDS). Then the cross-section of specimen corroded by solution of ferric chloride in ethanol was evaluated using SEM and X-ray diffraction (XRD). The coating consists of an intermetallic layer and an interdiffusion layer, and the thickness of coating layer increases parabolically with holding temperatures from 730 °C to 900 °C. The aluminum content in the coating varies between 7.65 and 4.0% from the surface to the inside layer while the iron content varies between 2 and 0.5%. The coating layer is composed of а-Cu/Al solid solution with a small amount of iron. Alumina formed on the surface of the coating layer during corrosion provides very good protection for the coating layer in the corrosive atmosphere and enhances the corrosion resistance of the coating.     

pH响应性聚合物抗菌涂层的制备及性能研究

目的 制备一种具有pH响应性的智能聚合物抗菌涂层,能按需实现涂层从防污到杀菌功能的转换.方法 以季铵盐甲基丙烯酰氧乙基二甲基辛烷基溴化铵(DMAEMA-8C)、对-(2-甲基丙烯氧乙氧基)苯甲醛(MAEBA)和甲基丙烯酸异辛酯(EHA)作为共聚单体,通过自由基聚合制备了一种季铵盐聚合物PMQE-CHO,并将其利用浸涂技术在不锈钢316L(SS)表面制备季铵盐聚合物涂层SS-PMQE-CHO.随后,使用PEG-NH2对季铵盐涂层SS-PMQE-CHO表面进行接枝改性,得到pH响应性聚合物涂层SS-PMQE-PEG.对涂层的基本性能进行了表征.通过大肠杆菌和荧光素偶联的牛血清白蛋白(FITC-BSA)的附着力测试,评估涂层的防污和抗菌性能.利用抗菌实验表征涂层在不同pH条件下的抗菌效果.进行体外细胞毒性分析和溶血试验,评估涂层的生物相容性.结果 涂层结构致密规整、机械性能优异,具有良好的生物相容性和低溶血率,并且可以有效地防止BSA和大肠杆菌的粘附.在菌液里培养10 h后,涂层SS-PMQE-PEG-30和SS-PMQE-PEG-40表面的细菌与SS表面的细菌相比,分别减少了94％和96％.此时,PEG显示出有效的防污作用.在菌液里培养24 h后,菌液的pH值降低.涂层SS-PMQE-PEG-30和SS-PMQE-PEG-40的功能从防污转化为杀菌,杀菌效率分别为93％和92％.即使是在PBS中浸泡两周后,涂层仍呈现出良好的功能转化性能.结论 在正常条件下,涂层SS-PMQE-PEG中的PEG可以有效抵抗蛋白质和细菌的粘附.当涂层附近的微环境变为弱酸性时,席夫碱键发生断裂,此时涂层底部的杀菌层暴露出来,以杀死细菌并抑制感染的发生.     

钛基微纳多级结构钽涂层的构建及其表面特征研究

采用等离子喷涂技术在医用纯钛基体表面构建出微纳米多级结构钽涂层。利用SEM、EDS和XRD分析微纳米多结构钽涂层的形貌、化学组成和物相组成,并根据ASTM C633-79评价涂层与基底的结合强度;采用牛血清蛋白(BSA)对比研究了钛基钽涂层与医用纯钛对照样表面的蛋白吸附行为。结果表明,在喷涂距离为110 mm、喷涂功率为30 k W时制备的钛基钽涂层具有典型微纳米多级结构特征,且与基体结合强度好、Ta相对含量高;蛋白吸附实验表明钛基钽涂层表面蛋白吸附量均高于医用纯钛对照样,具有良好的蛋白吸附能力。     

储油罐环氧基钛纳米复合导静电涂层耐蚀性能

目的研究钛纳米填料粒径和含量对环氧基钛纳米复合导静电涂层耐蚀性能的影响。方法将不同粒径的钛纳米粉(经聚乙烯基吡咯烷酮表面预处理)按不同量加入双酚A(E)型环氧树脂中,之后涂覆在Q235钢表面形成导静电复合涂层。通过表面电阻测试、截面形貌观察、电化学极化曲线和阻抗谱测试,分别评价复合涂层的导静电性能、截面结构和耐蚀性。结果钛纳米粉添加量(占涂层质量百分比)为28%时,随着钛纳米粉粒径从40 nm增大到200 nm,环氧基复合导静电涂层的表面电阻降低,截面结构更加杂乱,添加100 nm钛纳米粉的涂层阻抗和极化曲线阳极电流分别出现最大值和最小值。添加的钛纳米粉粒径为100 nm时,随着添加量从7%增至28%,环氧基复合导静电涂层的表面电阻降低,截面孔洞增大,阻抗值降低,极化曲线阳极电流增大。结论钛纳米填料的加入可以有效提高涂层的导静电性能、致密性和耐蚀性。当添加量为28%时,钛纳米粒径大于100 nm后,涂层截面形貌更加杂乱,耐蚀性降低。对于100 nm粒径的钛纳米填料,当其添加量大于7%时,复合涂层的致密性和耐蚀性降低。     

换向脉冲喷射电沉积制备Co-Cr3C2复合镀层的工艺探讨

目的：有效解决利用喷射电沉积在直流电流下制备的复合镀层存在的镀层表面粗糙,尤其当硬质颗粒尺寸达到微米级时,表面恶化程度尤为严重的问题。方法将换向脉冲电流取代直流电流应用于喷射电沉积,制备颗粒尺寸达到微米级的Co-Cr3C2复合镀层,通过分析复合镀层组织形貌、硬度和耐磨性等,探讨换向脉冲电参数对复合镀层颗粒复合量、镀层表面粗糙度以及镀层性能的影响,并对其影响机理进行分析。结果在保持颗粒较高含量复合的同时提高镀层表面平整度,通过控制脉冲电参数,制备出复合微米级Cr3C2颗粒平整、颗粒质量分数为11%的Co-Cr3C2复合镀层。结论 Cr3C2颗粒的复合量越高,镀层性能越优异,但镀层表面也更加粗糙,换向脉冲电流的反向过程可发生共沉积的逆过程,利用脉冲电流不仅对复合镀层起到整平的作用,同时可以提高颗粒在复合镀层中分散的均匀性,使复合镀层的表面形貌以及性能均得到明显改善。     

Effect of Al Content on Microstructure and Cyclic Oxidation Performance of Pt-Aluminide Coatings

The effect of Al content, i.e., the amount of Al picked up during aluminizing, on the microstructure and cyclic oxidation properties of Pt-aluminide coatings has been investigated. The cast Ni-base superalloy CM-247 was used as the substrate material and a single-step, high-activity pack aluminizing process was used to produce the Pt-aluminide coatings. The Al content of these coatings was varied by using packs with different compositions of the Al source. Pt-aluminide coatings having three different Al contents, namely 6.5, 16, and 21 mg cm^-2, were evaluated for their cyclic oxidation resistance at 1200°C in air. It was found that the Pt-aluminide coatings, irrespective of their Al contents, evolve in the same manner during aluminizing and result in a three-layer structure with an outer PtAl₂+NiAl two-phase layer, an intermediate NiAl layer, and the inner interdiffusion layer. The stability of this three-layer coating structure over long periods of aluminizing, however, is dependent on the availability of Al from the pack during this period. Below a certain threshold Al availability, the two-phase outer layer transforms to a single-phase NiAl structure causing the coating to change from its three-layer structure to a two-layer one. Cyclic oxidation results indicate that, while a minimum Al content in Pt-aluminide coatings is essential for deriving the best oxidation performance, increasing the Al content beyond a certain level does not significantly enhance oxidation behavior. The effect of Al content on aspects, such as coating degradation and nature of coating–surface damage during cyclic oxidation, is also discussed.     

HTMS改性SiO2减反膜的制备和耐环境稳定性研究

本文将正硅酸乙酯（TEOS）做前驱体, 氨水（NH3?H2O）做催化剂制备碱性SiO2溶胶,通过十六烷基三甲氧基硅烷（HTMS）修饰SiO2颗粒来 “钝化”SiO2颗粒,最终获得HTMS改性SiO2溶胶。然后采用提拉法在BK7玻璃表面制备HTMS改性氧化硅薄膜。利用傅里叶变换红外光谱仪（FTIR）、UV-Vis-NIR分光光度计、Film Wizard膜系设计软件和扫描电子显微镜（SEM）等表征方法对薄膜表面结构、光学性能、耐环境稳定性做了研究。结果表明：经过HTMS改性后的薄膜有高透过率和优异的耐环境稳定性,其透过率在峰值可达～99.8%,在90%RH湿度环境下经过两个月时间后,薄膜的峰值透过率仅仅下降了0.3%,改性后其耐环境稳定性得到较大提高。     

Nicotinic acid as a nontoxic corrosion inhibitor for hot dipped Zn and Zn-Al alloy coatings on steels in diluted hydrochloric acid

The inhibition effect of nicotinic acid for corrosion of hot dipped Zn and Zn-Al alloy coatings in diluted hydrochloric acid was investigated using quantum chemistry analysis, weight loss test, electrochemical measurement, and scanning electronic microscope (SEM) analysis. Quantum chemistry calculation results showed that nicotinic acid possessed planar structure with a number of active centers, and the populations of the Mulliken charge, the highest occupied molecular orbital (HOMO), and the lowest unoccupied molecular orbital (LUMO) were found mainly focused around oxygen and nitrogen atoms, and the cyclic of the benzene as well. The results of weight loss test and electrochemical measurement indicated that inhibition efficiency (IE%) increased with inhibitor concentration, and the highest inhibition efficiency was up to 96.7%. The corrosion inhibition of these coatings was discussed in terms of blocking the electrode reaction by adsorption of the molecules at the active centers on the electrode surface. It was found that the adsorption of nicotinic acid on coating surface followed Langmuir adsorption isotherm with single molecular layer, and nicotinic acid adsorbed on the coating surface probably by chemisorption. Nicotinic acid, therefore, can act as a good nontoxic corrosion inhibitor for hot dipped Zn and Zn-Al alloy coatings in diluted hydrochloric acid solution.     

氧化还原法制备石墨烯对镍基复合镀层的摩擦学性能影响

采用Hummers氧化法和肼还原法制备了石墨烯,并在45钢表面获得石墨烯/镍基复合镀层,研究了石墨烯的片层数量和热稳定性,对复合镀层的表面及截面形貌进行观察并测试其摩擦学性能。结果表明：肼还原法获得的石墨烯层数约2层,其热稳定性高于Hummers法获得的氧化石墨。不同石墨烯添加量 (0.1,0.2和0.4 g/L) 的镍基复合镀层厚度约20~30 μm。干摩擦时,石墨烯添加量为0.4 g/L的复合镀层摩擦系数和磨损率最低,较基体分别降低了13%和65%,磨损表面较光滑并可见石墨烯沉积后的微凸体形态,Fe的含量极少,说明磨痕深度很浅。     

Ni-Mo太阳光谱选择性吸收涂层的制备与性能研究

以自制Ni-Mo团聚型复合粉末为喷涂原料,采用超音速火焰喷涂法制得Ni-Mo太阳光谱选择性吸收涂层,表征了复合粉末和涂层的表面形貌,涂层的组成元素、相组成和光学性能,研究了粉末粒径大小、涂层组分比例和表面处理对涂层选择性吸收性能的影响.结果表明:当所用复合粉末粒径r≤45μm,粉末中Ni,Mo质量比为7:3时,制备的涂...