摘要: 基于界面流与界面变形理论，采用高压空气喷涂工艺，在赛艇表面制备一种具有二元复合结构表面形貌的减阻聚合物涂层，对涂料成膜过程中涂膜体系的物料迁移和温度变化进行试验研究和数值模拟，讨论聚合物涂层表面形貌的形成机制 结果表明，涂膜表层溶剂挥发，导致涂膜体系中出现温度梯度和表面张力梯度，由此引发的界面流和界面变形是聚合物涂层表面形貌形成的主要原因。
关键词: 减阻; 聚合物涂层; 界面流与界面变形
水面舰艇在航行过程中，所受阻力主要有摩擦阻力、压差阻力和兴波阻力等，其中摩擦阻力占较大份额 有效减小水面舰艇的摩擦阻力，对于提高航速增大航程以及节约能耗等，具有重要意义 近半个世纪以来，人们针对水下减阻问题开展了深入的研究，并形成了诸多减阻理论和减阻技术，表面形貌减阻就是其中的一种 对于表面形貌减阻技术的研究，主要从顺流向沟槽( 如肋条等) 和展向沟槽( 如随行波等) 等方面展开，目前已取得较大进展然而，对于减阻表面的制备，主要是通过传统的机加工方式［1－2］或采用沟纹贴膜的方法［3］实现的，致使该减阻技术在应用于工程实际时面临诸多问题，难以推广作为一种竞速类水上运动项目，赛艇运动已逐渐为人们所了解和关注 赛艇的阻力特性，是影响赛艇运动成绩的重要因素之一 为提高比赛成绩，现代流体力学方法已被用于赛艇水动力性能的研究 赛艇在航行过程中所受的阻力由摩擦阻力 压差阻力和兴波阻力等三部分构成，其中摩擦阻力占80%以上［4］因此，有效降低赛艇行进中所受摩擦阻力，对于改善赛艇的水动力学性能 提高比赛成绩等意义重大 国外对于赛艇减阻问题的研究已开展多年，然而由于技术保密等原因，其研究成果鲜有报道为通过表面形貌构型实现赛艇等航行体的水下减阻，前期研究［5］中采用高压空气喷涂工艺，在赛艇表面制备了一种具有二元复合结构表面形貌的减阻聚合物涂层 喷涂所用涂料是由溶剂 微米级金属颗粒氟碳树脂 低表面能助剂和固化剂等组分按一定比例构成的混合体系 利用自行研制的自动化喷涂平台，采用高压空气喷涂工艺，将涂料均匀喷涂在赛艇及平板试样表面，涂膜在24 h内室温固化形成聚合物涂层。采用ADEPhase-shift MicroXAMTM白光干涉三维形貌仪表征聚合物涂层的表面形貌特征 结果表明，所制备的聚合物涂层具有典型的二元复合结构表面形貌，其中一阶形貌为亚毫米量级的锥形凹坑，二阶形貌为微米量级的梯形凹坑。
在中船重工集团公司第702研究所的深水拖曳水池中，对聚合物涂层的减阻性能进行了测试 结果显示，与具有常规水力学光滑表面的同规格赛艇相比，在低于3m/s航速下，聚合物涂层的摩擦阻力减阻率为3.7%; 在3～4m/s航速下，涂层减阻率在2%以上; 在4～5.5m/s航速下，涂层减阻率为1.5%左右 该测试结果表明，所制备的聚合物涂层具有一定的减阻效果。
为进一步提高聚合物涂层减阻率，有必要对涂层表面形貌的形成机制开展研究，并以此为理论基础实现对涂层形貌参数的控制和优化 为此，本文作者对涂料成膜过程中涂膜体系的物料迁移及温度变化问题进行了试验研究，对温度梯度和表面张力梯度所驱动的界面流和界面变形过程进行了数值模拟，在此基础上分析了减阻聚合物涂层表面形貌的形成机制。
1 聚合物涂层的形成过程研究
1.1 试验研究
采用KEYNECEVHX-1000数码显微系统，对涂料成膜过程中涂膜体系的物料迁移现象进行显微观察和分析; 采用FLIRSC660型红外热像仪，对涂膜体系的温度场进行实时在线测量。
图1所示为涂料成膜过程中，在KEYNECE显微镜下观察到的涂膜体系中以Benard对流涡胞为单元的物料迁移现象 在物料迁移的过程中，对流涡胞中心为上升流，物料由涂膜底层向表层迁移; 对流涡胞的边缘为下降流，物料由涂层表层向底层迁移，显著的物料迁移现象持续约150s，此后迁移强度逐渐减弱直至最终停止。
图2所示为物料迁移过程中涂膜表层的温度场图 可以看出，在涂膜体系出现物料迁移的过程中，对流涡胞单元的中心温度明显高于涡胞边缘温度，二者的温差约为0.3℃ 此外，涂膜底 表层之间也存在温度差，其中涂膜表层平均温度为23.2℃，与涂膜底层相接触的基体温度为24.7℃，二者温度差为1.5℃。
上述试验结果表明，在涂料成膜过程中，涂膜体系中出现了以对流涡胞为单元的界面流现象，同时在涂膜底 表层以及涡胞单元的中心和边缘出现了温度梯度 为研究二者之间的内在联系，还需要从热力学的角度对涂料成膜过程进行分析
1.2 数值模拟
根据Hansen［6］的理论，在涂料成膜的过程中，溶剂在涂膜中的挥发过程可分为湿挥发和干挥发2个阶段 在湿挥发阶段，涂膜中溶剂分子的挥发速率是由溶剂从涂膜表层挥发的速率决定的，受溶剂分子穿越涂膜液气界面的表面扩散阻力所控制，挥发速率较大 Chesunov等［7］假设，溶剂在湿挥发阶段的挥发可认为是恒速率挥 发 在上述假 设的 基础上，Sletmoe［8］在进行大量实验后指出，对单一溶剂来说，溶剂从涂膜中挥发的湿挥发阶段，可简化为纯溶剂挥发的稳态过程。
根据上述理论假设，采用计算流体力学软件FLUENT对涂料成膜过程中，纯溶剂挥发引发界面流问题的简化模型进行了数值模拟 如图3所示为计算区域的示意图，其中长方体的几何尺寸为20mm×20mm×2mm 计算域边界条件设置如下: 上壁面为自由液面，溶剂以恒速率挥发，溶剂挥发的热流密度为q( t) =－338.5W/m2，下壁面恒温t =30℃，四周壁面为绝热壁面 计算区域采用结构化网格离散，控制方程的离散采用有限体积法，速度和压力的耦合采用SIMPLE算法处理，流体类型设定为甲苯。
图4所示为t =30℃时，纯溶剂挥发导致液膜体系中出现Benard对流的情况 图4 ( a) 所示为z=0横切面上的速度矢量图，可以看出，当溶剂以恒速率挥发时，液膜体系共出现了16个对称分布的Benard对流涡胞单元 每个对流涡胞单元的中心均为上升流，边缘为下降流 由图4 ( b) 所示的对角面( x=－y) 温度分布图可以看出，沿对流涡胞中心的上升流，温度较高的底层液体不断迁移到液膜表层，而沿对流涡胞边缘的下降流，温度较低的表层液体则不断向液膜底层迁移 由于溶剂表面张力随温度升高而下降，致使液膜表层涡胞单元中心的温度较高，表面张力较小; 而涡胞单元边缘处温度较低，表面张力较大，如图4 ( c) ，( d) 所示。
在液膜体系内表面张力梯度的驱动下，以对流涡胞为单元的物料迁移过程持续进行，以补偿溶剂挥发导致的表层温度损失，实现对流传热过程 这一结论与对涂料成膜过程的试验观察结果是一致的。
2 聚合物涂层的形成机制分析
在对涂料成膜过程进行上述试验观察和数值模拟的基础上，建立了如图5所示的热力学模型来阐述聚合物涂层表面一阶形貌———亚毫米级锥形坑的形成机制 在涂料固化成膜的过程中，涂膜表层的溶剂挥发，挥发所需汽化潜热由涂膜补偿，致使涂层表层温度迅速下降，涂膜底 表层出现温度梯度 在温度梯度的驱动下，涂膜体系中出现热对流现象 沿对流涡胞单元中心的上升流，温度较高的底层物料向涂膜表层迁移; 而沿对流涡胞边缘的下降流，温度较低的表层物料向涂膜底层迁移涂膜体系以对流换热的形式，实现对溶剂挥发的温度补偿。
由于涂膜的表面张力随温度变化而变化，在涂膜表层的对流涡胞单元的中心和边缘处存在的温度梯度导致表面张力梯度的出现 对流涡胞单元的中心处温度较高，表面张力较小; 边缘处温度较低，表面张力较大 在对流涡胞单元中心和边缘之间的表面张力梯度的驱动下，物料不断由涡胞中心向边缘迁移，致使涡胞中心不断沉降，边缘逐渐隆起 随涂膜体系中的溶剂不断挥发，涂膜黏度逐渐增加，物料迁移的阻尼增大，界面流强度逐渐减弱直至最终停止; 界面流所导致的界面变形也随之固化成型，最终在聚合物涂层表面形成亚毫米量级的锥形凹坑。
微米级梯形坑的形成机制，与亚毫米级锥形坑的形成机制是类似的，也是由温度梯度和表面张力梯度引发的界面流和界面变形所导致的，其热力学模型如图6所示 在涂料成膜过程中，涂膜体系内的溶剂挥发，导致涂膜表层温度下降 其中，涂膜亚表层的液体主要以热传导为换热形式实现对表层热量损失的补偿，温度下降较快; 而位于液膜亚表层的微米级颗粒则通过固液界面间的对流换热方式补偿涂膜表层的热量损失，温度下降较慢 因此，相对于周围液体而言，微颗粒具有较高温度，这就导致了在具有较高温度的微颗粒和具有较低温度的涂膜表层之间出现了局部的温度梯度和表面张力梯度 在局部温度梯度和表面张力梯度的驱动下，在微颗粒周围引发了局部的界面流和界面变形，最终形成微米级梯形坑。
3 结论
基于界面流与界面变形理论，采用高压空气喷涂工艺在赛艇等航行体表面涂覆涂料，在涂料固化成膜的过程中，涂膜表层溶剂挥发可导致涂膜体系中出现温度梯度和表面张力梯度，进而在涂膜体系中引发界面流与界面变形，使涂膜最终固化形成具有二元复合结构表面形貌的聚合物涂层，该聚合物涂层可以实现水下减阻，有效改善水面舰艇及水下航行体的水动力学性能。
参考文献略
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