纳米SiO_2/聚氨酯低表面能涂层减阻性能研究

【类型】学位论文

【作者】展学平 

【关键词】 减阻,低表面能,涂层,聚氨酯,纳米SiO_2

【摘要】摩擦阻力是现代高超声速飞机气动力的重要组成部分,摩擦阻力最大时可占飞机总阻力的50%,严重制约飞机的性能,因此减小飞机表面摩擦阻力,降低飞机能耗,具有重要意义。目前常见的减少摩擦阻力的方法主要有三类:低表面能涂层减阻技术、微吹/吸气技术、肋条/沟槽减阻。其中低表面能涂层减阻技术应用较为广泛,且随着纳米技术的迅速发展,常通过将纳米技术与低表面能涂层相结合的方法,制备具有低表面能的高性能材料。基于此,本文旨在开发一种纳米改性低表面能涂层材料实现减阻性能,降低表面摩擦阻力。本论文研究工作主要包括三部分:低表面能涂层的制备,低表面能涂层基本性能测试,低表面能涂层减阻性能测试。低表面能涂层的制备包括基板制备、纳米SiO_2/聚氨酯混合分散液的制备、纳米SiO_2/聚氨酯低表面能涂层的制备等步骤。基板制备采用模压成型工艺制备复合材料层合板;纳米SiO_2/聚氨酯混合分散液的制备过程:称取纳米粒径为15 nm、30 nm、50 nm、80 nm、100nm的SiO_20.5 g(质量分数1%)、1.0 g、1.5 g、2.0 g、2.5 g、3.0 g、3.5 g、4.0 g、4.5 g、5.0 g分散到50 g聚氨酯涂料固化剂中,通过磁力搅拌器、超声处理、高剪切乳化均质机分散,然后再与100 g聚氨酯涂料主剂混合,搅拌均匀;纳米SiO_2/聚氨酯低表面能涂层的制备过程:将10 ml纳米SiO_2/聚氨酯混合分散液涂在基板表面,匀胶机转速为2000转/分钟,旋涂30秒。低表面能涂层基本性能测试主要包括:厚度、硬度、耐磨性、表面形貌、接触角及表面能。结果表明:当转速2000转/分钟,匀胶时间30秒时,所制备涂层厚度均匀且差异很小;纳米SiO_2加入聚氨酯使得涂层硬度提高,最高硬度可达4 H,远高于美国麦道公司对飞机表面聚氨酯涂料制定的规范“DMS2112A”硬度要求(HB);纳米SiO_2的加入提高了涂层耐磨性,当粒径100 nm,质量分数为5%纳米SiO_2/聚氨酯涂层经耐磨测试后其质量减少率为7.5%,较纯聚氨酯涂层质量减少率降低了13.2%,高于空客在专利中提到的改性聚氨酯涂层质量减少率为14.3%;通过对涂层表面微观形貌进行观察,聚氨酯低表面能涂层表面存在微-纳米二级结构,该结构类似“荷叶”效应表面结构,具备了超疏水条件;接触角及表面能的测试结果表明:质量分数为5%,粒径100 nmSiO_2/聚氨酯涂层其表面能只有23.1mJ/m2。低表面能涂层减阻性能测试部分主要研究了风速为3 m/s、5 m/s、7 m/s时,不同质量分数、不同粒径纳米SiO_2/聚氨酯低表面能涂层减阻效果。结果表明:质量分数为5%、粒径100 nmSiO_2/聚氨酯低表面能涂层,减阻效果最好:悬挂式减阻测试装置评价时,减阻率为15.56%,热线风速仪法评价时,减阻率为16.92%。通过比较减阻率与涂层表面能变化规律可知:涂层表面能与减阻率存在负相关的关系。

【学位名称】硕士

【学位授予单位】东华大学

【学位授予年度】2017

【导师姓名】邵利韬;李炜;孙昊

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