飛艇蒙皮用tpu薄膜減阻微溝槽的熱壓印製備方法
2023-09-16 23:39:15
專利名稱：飛艇蒙皮用tpu薄膜減阻微溝槽的熱壓印製備方法
技術領域：
本發明涉及飛艇減阻用蒙皮材料的製備方法。
背景技術：
近太空也可以稱為臨近空間、近空間，同時，這一高度也是平流層所在的區域，處在風雨雷電等自然現象作用層之上，屬於高安全地帯。進入21世紀後，近太空這個特殊領域的價值越來越受到世界各國的重視，各軍事大國紛紛將它視為了二十一世紀軍事鬥爭的新領域。近年來，以臨近空間飛艇作為通訊導航平臺的應用研究引起了世界範圍的普遍關 注。在研製臨近空間飛艇的過程中，所涉及的關鍵技術問題目前是各國致力研究的重點。由於臨近空間飛艇不是低空飛艇，在研製的許多概念上，如工作環境、蒙皮材料、能源、動カ推進等關鍵技術上都截然不同於低空飛艇，許多方面面臨著極大的挑戰。已有的四次進入臨近空間的飛艇驗證試驗，證明了臨近空間飛艇平臺的可行性和應用價值，其應用過程中提出了許多關鍵的科學問題亟待解決，其中，如何通過設計蒙皮表面微溝槽有效減小風阻是實現大型臨近空間飛艇長航時目標的核心問題之一。受大自然界的啟發，研究發現，通過在運動物體表面合理的鋪設一定的溝槽可有效減小運動物體表面摩擦阻力。近年來，世界範圍內對剛性面溝槽減阻效果和減阻機理進行了一定量的研究，並部分進行了工程應用數值仿真和實驗驗證，並認為溝槽減阻技術是目前最理想的表面減阻方法。目前，溝槽減阻技術雖然已應用於飛機和艦艇上，但是針對於蒙皮這種柔性基體的溝槽減阻的研究尚未見報導。不同於一般剛性面高雷諾數飛行器表面溝槽減阻，臨近空間飛艇表面的流場主要是稀薄低速氣體，具有低雷諾數運行特性；同時，臨近空間飛艇是ー類典型的柔性結構，囊體在風載作用下局部極易發生大變形，囊體表面的溝槽亦是柔性微褶皺，外流場作用下具有可變形的特質，易與外流場發生耦合。大型臨近空間飛艇由柔性蒙皮材料包圍而成，其阻力主要有壓差阻力和艇體表面摩擦阻カ組成。由於飛艇具有較大的表面積，減小表面摩擦阻力能夠較大幅度的減小艇體的總阻力。因此，研究蒙皮材料表面微溝槽的製備エ藝至關重要。國內外文獻中關於微溝槽製備方法的研究可分為微細機械加工(如微雕刻、微鍛壓等)、雷射刻蝕法、軟刻蝕技術和熱壓印成型法等方法。如北京航空航天大學的張德遠等人以預處理的鯊魚皮為微複製模版，利用軟刻エ藝中的軟模成型技術製備矽橡膠質彈性陰模板，以水性環氧樹脂與聚丙烯醯胺的接枝共聚物為基材，對彈性陰模板進行復型翻摸，成形出一種兼具納米長鏈減阻界面與逼真微米溝槽形貌的複合減阻鯊魚皮，但是目前針對柔性薄膜材料的微溝槽製備方法還未見相關文獻報導。
發明內容
本發明要解決現有臨近空間飛艇蒙皮阻カ大的問題，而提供一種飛艇蒙皮用TPU薄膜減阻微溝槽的熱壓印製備方法。
本發明飛艇蒙皮用TPU薄膜減阻微溝槽的熱壓印製備方法按以下步驟進行一、採用超精密微細加工工具機系統加工出表面具有「V」型溝槽結構的Al制模板，所述「V」型溝槽在Al制模板表面形成交替通透的溝紋，每個溝紋的寬度S為90 110 μ m，深度h為90 110 μ m ;ニ、將步驟一中所製備的Al制模板用丙酮超聲清洗15 20min，烘乾後先塗覆三層潔膜劑，再塗覆三層封孔劑，最後塗覆三層水性脫模劑，每ー層的塗覆時間間隔為15 20min ；三、取欲壓印的TPU薄膜，用無水こ醇超聲清洗5 lOmin，自然晾乾備用；四、將經步驟ニ處理的Al制模板安裝固定在熱壓印機的壓頭上，在熱壓印機的承載臺上放置石英玻璃基底，將經步驟三處理的TPU薄膜平鋪在石英玻璃基底上，預熱至130 135°C後，降下壓頭，待Al制模板和TPU薄膜接觸後升壓至50 70N，在溫度為130 135°C、壓カ為50 70N的條件下，壓印15 20min，停止加熱，自然冷卻，並保壓2 2. 5h，撤去壓力，抬起壓頭，完成飛艇蒙皮用TPU薄膜減阻微溝槽的熱壓印製備。本發明薄膜材料的熱壓印機理分析如下薄膜材料的熱壓印是基於聚合物的熱流動成型來實現圖形複製的。當模板圖形尺寸較小，周期性強時，聚合物容易完全轉移，模板圖形能夠很好地複製到聚合物基底上；當模板圖形尺寸很大，聚合物轉移不完全和內在的鬆弛行為會在圖形化區域及其鄰近區域出現各種特殊的圖案。其機理可描述為將模板壓入聚合物中，模板凸區下的聚合物受壓擠入相鄰兩個凸區之間的空腔中，並沿著空腔側壁上升，而空腔內原有的聚合物由於受到兩側流體的擠壓，會向上凸起變形，在兩股流體的交界處形成兩個接點，隨著壓印時間的延長，兩側的聚合物不斷向空腔內擠壓，原有的聚合物不斷壓縮上升，最後整個空腔被填滿，經過一段時間的熱平衡，分離模板和基底，就得到了圖形化的聚合物。圖5是熱壓印過程中聚合物填充機理示意圖，向下的箭頭代表模板施加給薄膜的擠壓力，向上的箭頭代表基底施加給薄膜的擠壓力，中間的箭頭代表薄膜在壓カ下的流動方向。如果在壓印過程施加的壓カ較大，則模板凸起下的聚合物流入空腔後，由於表面張カ的作用，首先形成一個個的山包，若聚合物足夠厚，壓印時間足夠長，則山包會逐漸融合成為一體，實現空腔的完全填充。至今還沒有柔性薄膜表面微溝槽的製備方法，本發明以臨近空間飛艇蒙皮耐候層材料熱塑性聚氨酯薄膜(TPU)為柔性面，採用硬質模版熱壓印的方法為柔性面表面復形微溝槽，實現了微納米尺度下在柔性薄膜上對結構圖案的微納複製，得到高解析度、高深寬比結構的微溝槽，壓印薄膜的保形能力比較好，弾性回復變化比較小，溝槽減阻數值模擬結果表明，本發明所製備的表明帶有微溝槽結構的TPU薄膜具有減阻效果。本發明エ藝設備簡單、方法靈活、成本低廉等優點。本發明用於製備臨近空間飛艇減阻蒙皮材料。
圖I是飛艇蒙皮材料結構示意圖；其中I代表耐候層，2代表承カ層，3代表阻隔層，4代表熱封層；圖2是本發明熱壓印エ藝樣品組裝圖，其中5代表Al制模板，6代表TPU薄膜，7代表石英玻璃基底；
圖3是本發明熱壓過程中的Al制模板、TPU薄膜和石英玻璃基底示意圖；圖4是本發明熱壓成型所得到的表面具有「V」型溝槽的TPU薄膜的橫截面示意圖；圖5是是熱壓印過程中聚合物填充機理示意圖；圖6是實施例一所製備的Al制模板表面的照片(上方觀測)；圖7是實施例一所製備的Al制模板表面的照片(側面觀測)；圖8是實施例一所製備的具有減阻微溝槽結構的TPU薄膜表面的照片(上方觀測);
圖9是實施例一所製備的具有減阻微溝槽結構的TPU薄膜表面的照片(側面觀測);圖10是實施例ニ所製備的具有減阻微溝槽結構的TPU薄膜表面的照片(上方觀測);圖11是實施例ニ所製備的具有減阻微溝槽結構的TPU薄膜表面的照片(側面觀測);圖12是實施例一所製備的具有減阻微溝槽結構的TPU薄膜放置2個月後的照片(上方觀測)；圖13是實施例一所製備的具有減阻微溝槽結構的TPU薄膜放置2個月後的照片(側面觀測)；圖14是三維模型網格劃分圖；圖15是來流速度為lOm/s時，流向橫截面速度雲圖；圖16是溝槽附近速度雲圖；圖17是光滑平板表面速度雲圖；圖18是流向橫截面渦強度分布雲圖；圖19是溝槽附近渦強分布雲圖；圖20是溝槽附近z向剪切應カ。
具體實施例方式本發明技術方案不局限於以下所列舉的具體實施方式
，還包括各具體實施方式
之間的任意組合。
具體實施方式
一本實施方式飛艇蒙皮用TPU薄膜減阻微溝槽的熱壓印製備方法按以下步驟進行一、採用超精密微細加工工具機系統加工出表面具有「V」型溝槽結構的Al制模板，所述「V」型溝槽在Al制模板表面形成交替通透的溝紋，每個溝紋的寬度s為90 110 μ m，深度h為90 110 μ m ;ニ、將步驟一中所製備的Al制模板用丙酮超聲清洗15 20min，烘乾後先塗覆三層潔膜劑，再塗覆三層封孔劑，最後塗覆三層水性脫模劑，每ー層的塗覆時間間隔為15 20min ；三、取欲壓印的TPU薄膜，用無水こ醇超聲清洗5 lOmin，自然晾乾備用；四、將經步驟ニ處理的Al制模板安裝固定在熱壓印機的壓頭上，在熱壓印機的承載臺上放置石英玻璃基底，將經步驟三處理的TPU薄膜平鋪在石英玻璃基底上，預熱至130 135°C後，降下壓頭，待Al制模板和TPU薄膜接觸後升壓至50 70N，在溫度為130 135°C、壓カ為50 70N的條件下，壓印15 20min，停止加熱，自然冷卻，並保壓2 2. 5h，撤去壓力，抬起壓頭，完成飛艇蒙皮用TPU薄膜減阻微溝槽的熱壓印製備。本發明表面具有「V」型溝槽結構的Al制模板是利用哈爾濱エ業大學超精密微細加工工具機系統加工而成的；壓印儀器採用的是德國Suss MicroTechnology公司生產的熱壓印機。本實施方式所用的潔膜劑、封孔劑和水性脫模劑均為市售產品。
本實施方式的有益效果是本實施方式以臨近空間飛艇蒙皮耐候層材料熱塑性聚氨酯薄膜(TPU)為柔性面，採用硬質模版熱壓印的方法為柔性面表面復形微溝槽，實現了微納米尺度下在柔性薄膜上對結構圖案的微納複製，得到高解析度、高深寬比結構的微溝槽，壓印薄膜的保形能力比較好，弾性回復變化比較小，溝槽減阻數值模擬結果表明，本實施方式所製備的表面帶有微溝槽結構的TPU薄膜具有減阻效果。本實施方式エ藝設備簡單、方法靈活、成本低廉等優點。
具體實施方式
ニ 本實施方式與具體實施方式
一不同的是步驟一中Al制模板的長度為50 52mm，寬度為50 52mm，厚度為5 8mm。其它與具體實施方式
一相同。
具體實施方式
三本實施方式與具體實施方式
一或ニ不同的是於驟一中，每個溝紋的寬度s為95 105 μ m，深度h為95 105 μ m。其它與具體實施方式
一或二相同。
具體實施方式
四本實施方式與具體實施方式
一至三之一不同的是步驟三中所述TPU薄膜的厚度為25 200 μ m。其它與具體實施方式
一至三之一相同。
具體實施方式
五本實施方式與具體實施方式
一至三之一不同的是步驟三中所述TPU薄膜的厚度為90 110 μ m。其它與具體實施方式
一至三之一相同。
具體實施方式
六本實施方式與具體實施方式
一至五之一不同的是步驟四中待Al制模板和TPU薄膜接觸後升壓至55 65N。其它與具體實施方式
一至五之一相同。
具體實施方式
七本實施方式與具體實施方式
一至六之一不同的是步驟四中在溫度為130°C的條件下，壓印20min。其它與具體實施方式
一至六之一相同。
具體實施方式
八本實施方式與具體實施方式
一至七之一不同的是步驟四中在溫度為135°C的條件下，壓印15min。其它與具體實施方式
一至七之一相同。
具體實施方式
九本實施方式與具體實施方式
一至八之一不同的是步驟四中保壓時間為2h。其它與具體實施方式
一至八之一相同。
具體實施方式
十本實施方式與具體實施方式
一至九之一不同的是米用表面具有「V」型溝槽結構的Si模板或Ni模板替代表面具有「V」型溝槽結構的Al制模板。其它與具體實施方式
一至九之一相同。採用以下實施例驗證本發明的有益效果實施例一本實施例飛艇蒙皮用TPU薄膜減阻微溝槽的熱壓印製備方法按以下步驟進行一、採用超精密微細加工工具機系統加工出表面具有「V」型溝槽結構的Al制模板，所述「V」型溝槽在Al制模板表面形成交替通透的溝紋，每個溝紋的寬度s為100 μ m，深度h為100 μ m ；A1制模板的長度為50mm,寬度為50mm,厚度為6mm ；A1制模板所用的Al材的型號是A1-LY12 ；
ニ、將步驟一中所製備的Al制模板用丙酮超聲清洗20min，烘乾後先塗覆三層潔膜劑，再塗覆三層封孔劑，最後塗覆三層水性脫模劑，每ー層的塗覆時間間隔為15min ；三、取欲壓印的TPU薄膜，用無水こ醇超聲清洗5min，自然晾乾備用；四、將經步驟ニ處理的Al制模板安裝在熱壓印機的壓頭上，在熱壓印機的承載臺上放置石英玻璃基底，將經步驟三處理的TPU薄膜平鋪在石英玻璃基底上，預熱至130°C後，降下壓頭，待Al制模板和TPU薄膜接觸後升壓至50N，在溫度為130°C、壓カ為50N的條件下，壓印20min，停止加熱，保壓2h，撤去壓カ，抬起壓頭，完成飛艇蒙皮用TPU薄膜減阻微溝槽的熱壓印製備。本實施例步驟ニ中所用的潔膜劑、封孔劑和水性脫模劑是埃法比國貿(上海)有限公司生產銷售的產品。實施例ニ本實施例飛艇蒙皮用TPU薄膜減阻微溝槽的熱壓印製備方法按以下步驟進行一、採用超精密微細加工工具機系統加工出表面具有「V」型溝槽結構的Al制模板，所述「V」型溝槽在Al制模板表面形成交替通透的溝紋，每個溝紋的寬度s為100 μ m，深度h為100 μ m ；A1制模板的長度為50mm,寬度為50mm,厚度為6mm ；A1制模板所用的Al材的型號是A1-LY12 ；ニ、將步驟一中所製備的Al制模板用丙酮超聲清洗15min，烘乾後先塗覆三層潔膜劑，再塗覆三層封孔劑，最後塗覆三層水性脫模劑，每ー層的塗覆時間間隔為20min ；三、取欲壓印的TPU薄膜，用無水こ醇超聲清洗lOmin，自然晾乾備用；四、將經步驟ニ處理的Al制模板安裝在熱壓印機的壓頭上，在熱壓印機的承載臺上放置石英玻璃基底，將經步驟三處理的TPU薄膜平鋪在石英玻璃基底上，預熱至135°C後，降下壓頭，待Al制模板和TPU薄膜接觸後升壓至50N，在溫度為135°C、壓カ為50N的條件下，壓印15min，停止加熱，保壓2h，撤去壓力，完成飛艇蒙皮用TPU薄膜減阻微溝槽的熱壓印製備。本實施例步驟ニ中所用的潔膜劑、封孔劑和水性脫模劑是埃法比國貿(上海)有限公司生產銷售的產品。對實施例一和實施例ニ所製備的表面具有減阻微溝槽結構的TPU薄膜進行性能測試，結果如下實施例一和實施例ニ所用熱塑性聚氨酯薄膜(TPU薄膜)的物性如表I所示。表ITPU薄膜物性表
權利要求
1.飛艇蒙皮用TPU薄膜減阻微溝槽的熱壓印製備方法，其特徵在於飛艇蒙皮用TPU薄膜減阻微溝槽的熱壓印製備方法按以下步驟進行 一、採用超精密微細加工工具機系統加工出表面具有「V」型溝槽結構的Al制模板，所述「V」型溝槽在Al制模板表面形成交替通透的溝紋，每個溝紋的寬度s為90 IIOii m，深度h 為 90 110 u m ; 二、將步驟一中所製備的Al制模板用丙酮超聲清洗15 20min，烘乾後先塗覆三層潔膜劑，再塗覆三層封孔劑，最後塗覆三層水性脫模劑，每一層的塗覆時間間隔為15 20min ； 三、取欲壓印的TPU薄膜,用無水乙醇超聲清洗5 IOmin,自然晾乾備用； 四、將經步驟二處理的Al制模板安裝固定在熱壓印機的壓頭上，在熱壓印機的承載臺上放置石英玻璃基底，將經步驟三處理的TPU薄膜平鋪在石英玻璃基底上，預熱至130 135°C後，降下壓頭，待Al制模板和TPU薄膜接觸後升壓至50 70N，在溫度為130 135°C、壓力為50 70N的條件下，壓印15 20min，停止加熱，自然冷卻，並保壓2 2. 5h，撤去壓力，抬起壓頭，完成飛艇蒙皮用TPU薄膜減阻微溝槽的熱壓印製備。
2.根據權利要求I所述的飛艇蒙皮用TPU薄膜減阻微溝槽的熱壓印製備方法，其特徵在於步驟一中Al制模板的長度為50 52mm,寬度為50 52mm,厚度為5 8mm。
3.根據權利要求I或2所述的飛艇蒙皮用TPU薄膜減阻微溝槽的熱壓印製備方法，其特徵在於驟一中，每個溝紋的寬度s為95 105 u m,深度h為95 105 u m。
4.根據權利要求3所述的飛艇蒙皮用TPU薄膜減阻微溝槽的熱壓印製備方法，其特徵在於步驟三中所述TPU薄膜的厚度為25 200 u m。
5.根據權利要求3所述的飛艇蒙皮用TPU薄膜減阻微溝槽的熱壓印製備方法，其特徵在於步驟三中所述TPU薄膜的厚度為90 110 ii m。
6.根據權利要求4所述的飛艇蒙皮用TPU薄膜減阻微溝槽的熱壓印製備方法，其特徵在於步驟四中待Al制模板和TPU薄膜接觸後升壓至55 65N。
7.根據權利要求4、5或6所述的飛艇蒙皮用TPU薄膜減阻微溝槽的熱壓印製備方法，其特徵在於步驟四中在溫度為130°C的條件下，壓印20min。
8.根據權利要求4、5或6所述的飛艇蒙皮用TPU薄膜減阻微溝槽的熱壓印製備方法，其特徵在於步驟四中在溫度為135°C的條件下，壓印15min。
9.根據權利要求7所述的飛艇蒙皮用TPU薄膜減阻微溝槽的熱壓印製備方法，其特徵在於步驟四中保壓時間為2h。
10.如權利要求I所述的飛艇蒙皮用TPU薄膜減阻微溝槽的熱壓印製備方法，其特徵在於採用表面具有「V」型溝槽結構的Si模板或Ni模板替代表面具有「V」型溝槽結構的Al制模板。
全文摘要
飛艇蒙皮用TPU薄膜減阻微溝槽的熱壓印製備方法，它涉及飛艇減阻用蒙皮材料的製備方法。本發明要解決現有臨近空間飛艇蒙皮阻力大的問題。製備方法一、製備表面具有「V」型溝槽結構的Al制模板；二、清洗模板並塗覆脫模劑；三、用無水乙醇超聲清洗TPU薄膜；四、在溫度為130～135℃、壓力為50～70N的條件下，壓印15～20min，停止加熱，保壓2～2.5h，完成減阻微溝槽的熱壓印製備。本發明採用熱壓印成型法是實現了微納米尺度下在柔性薄膜上對結構圖案進行微納複製，得到高解析度、高深寬比結構的微溝槽，並具有工藝設備簡單、方法靈活、成本低廉等特點。本發明用於製備臨近空間飛艇減阻蒙皮材料。
文檔編號B29B15/00GK102672959SQ201210168800
公開日2012年9月19日 申請日期2012年5月28日 優先權日2012年5月28日
發明者劉宇豔, 劉少柱, 劉羽熙, 王長國, 譚惠豐, 馬濤 申請人:哈爾濱工業大學