专利名称：飞艇蒙皮用Al层涂覆型TPU薄膜减阻微沟槽的热压印制备方法
技术领域：
本发明涉及飞艇蒙皮材料的制备方法。
背景技术：
近太空也可以称为临近空间、近空间，同时，这一高度也是平流层所在的区域，处在风雨雷电等自然现象作用层之上，属于高安全地帯。进入21世纪后，近太空这个特殊领域的价值越来越受到世界各国的重视，各军事大国纷纷将它视为了二十一世纪军事斗争的新领域。近年来，以临近空间飞艇作为通讯导航平台的应用研究引起了世界范围的普遍关注。在研制临近空间飞艇的过程中，所涉及的关键技术问题目前是各国致力研究的重点。由于临近空间飞艇不是低空飞艇，在研制的许多概念上，如工作环境、蒙皮材料、能源、动カ推·进等关键技术上都截然不同于低空飞艇，许多方面面临着极大的挑战。已有的四次进入临近空间的飞艇验证试验，证明了临近空间飞艇平台的可行性和应用价值，其应用过程中提出了许多关键的科学问题亟待解决，其中，如何通过设计蒙皮表面微沟槽有效减小风阻是实现大型临近空间飞艇长航时目标的核心问题之一。受大自然界的启发，研究发现，通过在运动物体表面合理的铺设一定的沟槽可有效减小运动物体表面摩擦阻力。近年来，世界范围内对刚性面沟槽减阻效果和减阻机理进行了一定量的研究，并部分进行了工程应用数值仿真和实验验证，并认为沟槽减阻技术是目前最理想的表面减阻方法。目前，沟槽减阻技术虽然已应用于飞机和舰艇上，但是针对于蒙皮这种柔性基体的沟槽减阻的研究尚未见报道。不同于一般刚性面高雷诺数飞行器表面沟槽减阻，临近空间飞艇表面的流场主要是稀薄低速气体，具有低雷诺数运行特性；同时，临近空间飞艇是ー类典型的柔性结构，囊体在风载作用下局部极易发生大变形，囊体表面的沟槽亦是柔性微褶皱，外流场作用下具有可变形的特质，易与外流场发生耦合。大型临近空间飞艇由柔性蒙皮材料包围而成，其阻力主要有压差阻力和艇体表面摩擦阻カ组成。由于飞艇具有较大的表面积，减小表面摩擦阻力能够较大幅度的减小艇体的总阻力。因此，研究蒙皮材料表面微沟槽的制备エ艺至关重要。国内外文献中关于微沟槽制备方法的研究可分为微细机械加工(如微雕刻、微锻压等)、激光刻蚀法、软刻蚀技术和热压印成型法等方法。如北京航空航天大学的张德远等人以预处理的鲨鱼皮为微复制模版，利用软刻エ艺中的软模成型技术制备硅橡胶质弹性阴模板，以水性环氧树脂与聚丙烯酰胺的接枝共聚物为基材，对弹性阴模板进行复型翻摸，成形出一种兼具纳米长链减阻界面与逼真微米沟槽形貌的复合减阻鲨鱼皮，但是目前针对柔性薄膜材料的微沟槽制备方法还未见相关文献报道。TPU薄膜是现有的平流层飞艇蒙皮耐候层材料之一，虽然其本身具有一定的耐老化性能，但是在恶劣的环境下使用时仍然达不到人们所希望的理想效果。
发明内容
本发明要解决现有平流层飞艇蒙皮耐候性差、阻カ大、隔热性差的问题，而提供飞艇蒙皮用Al层涂覆型TPU薄膜减阻微沟槽的热压印制备方法。本发明飞艇蒙皮用Al层涂覆型TPU薄膜减阻微沟槽的热压印制备方法按以下步骤进行一、采用超精密微细加工机床系统加工出表面具有“V”型沟槽结构的Al制模板，所述“V”型沟槽在Al制模板表面形成交替通透的沟纹，每个沟纹的宽度S为90 110 μ m，深度h为90 110 μ m ;
ニ、将步骤一中所制备的Al制模板用丙酮超声清洗15 20min，烘干后先涂覆三层洁膜剂，再涂覆三层封孔剂，最后涂覆三层水性脱模剂，每ー层的涂覆时间间隔为15 20min ；三、取欲压印的TPU薄膜，用无水こ醇超声清洗5 lOmin，自然晾干备用；四、将经步骤ニ处理的Al制模板安装固定在热压印机的压头上，在热压印机的承载台上放置石英玻璃基底，将经步骤三处理的TPU薄膜平铺在石英玻璃基底上，预热至130 135°C后，降下压头，待Al制模板和TPU薄膜接触后升压至50 70N，在温度为130 135°C、压カ为50 70N的条件下，压印15 20min，停止加热，自然冷却，并保压2 2. 5h，撤去压力，抬起压头，得到表面具有减阻微沟槽的TPU薄膜；五、采用磁控溅射技木，磁控溅射的电源为直流电源，在电流为O. 4 O. 5A、真空度为O. 5 O. 6Pa、氩气流量lOOsccm、溅射时间为3 IOmin的条件下，在步骤四得到的表面具有减阻微沟槽的TPU薄膜上溅射ー层Al层，完成飞艇蒙皮用Al层涂覆型TPU薄膜减阻微沟槽的热压印制备。本发明薄膜材料的热压印机理分析如下薄膜材料的热压印是基于聚合物的热流动成型来实现图形复制的。当模板图形尺寸较小，周期性强时，聚合物容易完全转移，模板图形能够很好地复制到聚合物基底上；当模板图形尺寸很大，聚合物转移不完全和内在的松弛行为会在图形化区域及其邻近区域出现各种特殊的图案。其机理可描述为将模板压入聚合物中，模板凸区下的聚合物受压挤入相邻两个凸区之间的空腔中，并沿着空腔侧壁上升，而空腔内原有的聚合物由于受到两侧流体的挤压，会向上凸起变形，在两股流体的交界处形成两个接点，随着压印时间的延长，两侧的聚合物不断向空腔内挤压，原有的聚合物不断压缩上升，最后整个空腔被填满，经过一段时间的热平衡，分离模板和基底，就得到了图形化的聚合物。图5是热压印过程中聚合物填充机理示意图，向下的箭头代表模板施加给薄膜的挤压力，向上的箭头代表基底施加给薄膜的挤压力，中间的箭头代表薄膜在压カ下的流动方向。如果在压印过程施加的压カ较大，则模板凸起下的聚合物流入空腔后，由于表面张カ的作用，首先形成一个个的山包，若聚合物足够厚，压印时间足够长，则山包会逐渐融合成为一体，实现空腔的完全填充。至今还没有柔性薄膜表面微沟槽的制备方法，本发明以临近空间飞艇蒙皮耐候层材料热塑性聚氨酯薄膜(TPU)为柔性面，采用硬质模版热压印的方法为柔性面表面复形微沟槽，实现了微纳米尺度下在柔性薄膜上对结构图案的微纳复制，得到高分辨率、高深宽比结构的微沟槽，压印薄膜的保形能力比较好，弾性回复变化比较小，沟槽减阻数值模拟结果表明，本发明所制备的表明带有微沟槽结构的TPU薄膜具有减阻效果，并且在TPU薄膜表面溅射的Al层，能很好的反射太阳辐射的能量，可以起到隔热降温、反射紫外线保护蒙皮材料的效果，而且，Al层厚度为35 300nm，使飞艇在质轻的前提下，提高了蒙皮材料的耐候性能，为进一歩提高载荷、延长驻空时间有重要作用，是ー种简单方便、直接高效、成本低廉的提高TPU薄膜耐侯、减阻性能的方法，具有较大的应用前景。本发明用于制备临近空间飞艇减阻耐候蒙皮材料。
图I是飞艇蒙皮材料结构示意图；其中I代表耐候层，2代表承カ层，3代表阻隔层，4代表热封层；图2是本发明热压印エ艺样品组装图，其中5代表Al制模板，6代表TPU薄膜，7代表石英玻璃基底；图3是本发明热压过程中的Al制模板、TPU薄膜和石英玻璃基底示意图；图4是本发明热压成型所得到的表面具有“V”型沟槽的TPU薄膜的横截面示意图；图5是是热压印过程中聚合物填充机理示意图；图6是实施例一所制备的Al制模板表面的照片(上方观测)；图7是实施例一所制备的Al制模板表面的照片(侧面观测)；图8是实施例一所制备的具有减阻微沟槽结构的Al层涂覆型TPU薄膜表面的照片(上方观测)；图9是实施例一所制备的具有减阻微沟槽结构的Al层涂覆型TPU薄膜表面的照片(侧面观测)；图10是实施例一所制备的具有减阻微沟槽结构的Al层涂覆型TPU薄膜放置2个月后的三维形貌(上方观测)；图11是实施例一所制备的具有减阻微沟槽结构的Al层涂覆型TPU薄膜放置2个月后的三维形貌(侧面观测)；图12是TPU薄膜表面的AFM图；图13是人工老化240h后的TPU薄膜表面的AFM图； 图14是人工老化480h后的TPU薄膜表面的AFM图；图15是TPU薄膜断面的SEM照片；图16是人工老化480h的TPU薄膜断面的SEM照片；图17是人工老化480h的TPU薄膜侧面的SEM照片；图18是实施例一制备的Al层涂覆型TPU薄膜表面的AFM图；图19是人工老化240h后的Al层涂覆型TPU薄膜表面的AFM图；图20是人工老化480h后的Al层涂覆型TPU薄膜表面的AFM图；图21是实施例一制备的Al层涂覆型TPU薄膜表面的SEM照片；图22是人工老化480h的Al层涂覆型TPU薄膜表面的SEM照片；图23是紫外-可见-近红外透过光谱图；其中a代表TPU薄膜，b代表溅射ー层厚度为120nm的铝层的TPU薄膜；图24是太阳光反射率光谱图；其中a代表TPU薄膜，b代表溅射ー层厚度为120nm的铝层的TPU薄膜；图25是三维模型网格划分图；图26是来流速度为lOm/s时，流向横截面速度云图；图27是沟槽附近速度云图；图28是光滑平板表面速度云图；图29是流向横截面涡强度分布云图；图30是沟槽附近涡强分布云图；图31是沟槽附近z向剪切应カ。
具体实施例方式本发明技术方案不局限于以下所列举的具体实施方式
，还包括各具体实施方式
之间的任意組合。
具体实施方式
一本实施方式飞艇蒙皮用Al层涂覆型TPU薄膜减阻微沟槽的热压印制备方法，其特征在于飞艇蒙皮用Al层涂覆型TPU薄膜减阻微沟槽的热压印制备方法按以下步骤进行一、采用超精密微细加工机床系统加工出表面具有“V”型沟槽结构的Al制模板，所述“V”型沟槽在Al制模板表面形成交替通透的沟纹，每个沟纹的宽度S为90 110 μ m，深度h为90 110 μ m ;ニ、将步骤一中所制备的Al制模板用丙酮超声清洗15 20min，烘干后先涂覆三层洁膜剂，再涂覆三层封孔剂，最后涂覆三层水性脱模剂，每ー层的涂覆时间间隔为15 20min ；三、取欲压印的TPU薄膜，用无水乙醇超声清洗5 lOmin，自然日京干备用；四、将经步骤ニ处理的Al制模板安装固定在热压印机的压头上，在热压印机的承载台上放置石英玻璃基底，将经步骤三处理的TPU薄膜平铺在石英玻璃基底上，预热至130 135°C后，降下压头，待Al制模板和TPU薄膜接触后升压至50 70N，在温度为130 135°C、压カ为50 70N的条件下，压印15 20min，停止加热，自然冷却，并保压2 2. 5h，撤去压力，抬起压头，得到表面具有减阻微沟槽的TPU薄膜；五、采用磁控溅射技木，磁控溅射的电源为直流电源，在电流为O. 4 O. 5A、真空度为O. 5 O. 6Pa、氩气流量lOOsccm、溅射时间为3 IOmin的条件下，在步骤四得到的表面具有减阻微沟槽的TPU薄膜上溅射ー层Al层，完成飞艇蒙皮用Al层涂覆型TPU薄膜减阻微沟槽的热压印制备。本发明表面具有“V”型沟槽结构的Al制模板是利用哈尔滨エ业大学超精密微细加工机床系统加工而成的；压印仪器采用的是德国Suss MicroTechnology公司生产的热压印机。本实施方式所用的洁膜剂、封孔剂和水性脱模剂均为市售产品。至今还没有柔性薄膜表面微沟槽的制备方法，本实施方式以临近空间飞艇蒙皮耐候层材料热塑性聚氨酯薄膜(TPU)为柔性面，采用硬质模版热压印的方法为柔性面表面复形微沟槽，实现了微纳米尺度下在柔性薄膜上对结构图案的微纳复制，得到高分辨率、高深宽比结构的微沟槽，压印薄膜的保形能力比较好，弾性回复变化比较小，沟槽减阻数值模拟结果表明，本发明所制备的表明带有微沟槽结构的TPU薄膜具有减阻效果，并且在TPU薄膜、表面溅射的Al层，能很好的反射太阳辐射的能量，可以起到隔热降温、反射紫外线保护蒙皮材料的效果，而且，Al层厚度为35 300nm，使飞艇在质轻的前提下，提高了蒙皮材料的耐候性能，为进ー步提高载荷、延长驻空时间有重要作用，是ー种简单方便、直接高效、成本低廉的提高TPU薄膜耐侯、减阻性能的方法，具有较大的应用前景。
具体实施方式
ニ 本实施方式与具体实施方式
一不同的是步骤一中Al制模板的长度为50 52mm，宽度为50 52mm，厚度为5 8mm。其它与具体实施方式
一相同。
具体实施方式
三本实施方式与具体实施方式
一或ニ不同的是步骤三中所述!PU薄膜的厚度为25 200 μ m。其它与具体实施方式
一或二相同。
具体实施方式
四本实施方式与具体实施方式
一至三之一不同的是步骤三中所述TPU薄膜的厚度为90 110 μ m。其它与具体实施方式
一至三之一相同。
具体实施方式
五本实施方式与具体实施方式
一至四之一不同的是步骤四中待Al制模板和TPU薄膜接触后升压至55 65N。其它与具体实施方式
一或四之一相同。
具体实施方式
六本实施方式与具体实施方式
一至五之一不同的是步骤四中在温度为130°C的条件下，压印20min。其它与具体实施方式
一至六之一相同。
具体实施方式
七本实施方式与具体实施方式
一至六之一不同的是步骤四中在温度为135°C的条件下，压印15min。其它与具体实施方式
一至六之一相同。
具体实施方式
八本实施方式与具体实施方式
一至七之一不同的是步骤四中保压时间为2h。其它与具体实施方式
一至七之一相同。
具体实施方式
九本实施方式与具体实施方式
一至八之一不同的是步骤五中在电流为O. 4A、真空度为O. 5Pa、氩气流量lOOsccm、溅射时间为3 IOmin的条件下，在步骤四得到的表面具有减阻微沟槽的TPU薄膜上溅射ー层Al层。其它与具体实施方式
一至八之一相同。
具体实施方式
十本实施方式与具体实施方式
一至九之一不同的是米用表面具有“V”型沟槽结构的Si模板或Ni模板替代表面具有“V”型沟槽结构的Al制模板。其它与具体实施方式
一至九之一相同。采用以下实施例验证本发明的有益效果实施例一本实施例飞艇蒙皮用Al层涂覆型TPU薄膜减阻微沟槽的热压印制备方法按以下步骤进行一、采用超精密微细加工机床系统加工出表面具有“V”型沟槽结构的Al制模板，所述“V”型沟槽在Al制模板表面形成交替通透的沟纹，每个沟纹的宽度s为100 μ m，深度h为100 μ m ；A1制模板的长度为50mm,宽度为50mm,厚度为6mm ；A1制模板所用的Al材的型号是A1-LY12 ；ニ、将步骤一中所制备的Al制模板用丙酮超声清洗20min，烘干后先涂覆三层洁膜剂，再涂覆三层封孔剂，最后涂覆三层水性脱模剂，每ー层的涂覆时间间隔为15min ；三、取欲压印的TPU薄膜，用无水こ醇超声清洗5min，自然晾干备用；四、将经步骤ニ处理的Al制模板安装在热压印机的压头上，在热压印机的承载台上放置石英玻璃基底，将经步骤三处理的TPU薄膜平铺在石英玻璃基底上，预热至130°C后，降下压头，待Al制模板和TPU薄膜接触后升压至50N，在温度为130°C、压カ为50N的条件下，压印20min，停止加热，保压2h，撤去压力，抬起压头，得到表面具有减阻微沟槽的TPU
薄膜；五、采用磁控溅射技木，磁控溅射的电源为直流电源，在电流为O. 4A、真空度为
O.5Pa、氩气流量lOOsccm、溅射时间为6min的条件下，在步骤四得到的表面具有减阻微沟槽的TPU薄膜上溅射ー层Al层，完成飞艇蒙皮用Al层涂覆型TPU薄膜减阻微沟槽的热压印制备。本实施例所用原料均为市售产品，步骤ニ中所用的洁膜 剂、封孔剂和水性脱模剂是埃法比国贸(上海)有限公司生产销售的产品。经测试，本实施例所制备的Al层的厚度为 120nm。本实施例所用热塑性聚氨酯薄膜(TPU薄膜)的物性如表I所示。表ITPU薄膜物性表
厚度ΙΟΟμω断裂強度>80MPa密度120 g/m2初始模量SOMPa 刀角午温度 >350°C 断裂伸长率 >490%利用三维光学显微观测系统[基恩士公司，数码显微镜(digital microscope),型号VHX-600]对模版及压印后的蒙皮表面微沟槽形貌进行表征，图8是实施例一所制备的具有减阻微沟槽结构的Al层涂覆型TPU薄膜表面的照片(上方观测)；图9是实施例一所制备的具有减阻微沟槽结构的Al层涂覆型TPU薄膜表面的照片(侧面观测)。从图中可以看出，TPU薄膜表面的沟纹很明显，沟槽条纹形状及大小与压印模板匹配完好，三维形貌均匀。薄膜压印微沟槽后回弹性的探讨为分析薄膜压印微沟槽后的回弹特性，取实施例一所制备的经过三维表征的附有较好微沟槽结构的Al层涂覆型TPU薄膜放置60天，之后观察压印薄膜相同部位的三维结构的恢复变化情况，来研究薄膜沟槽的保形能力。图10是实施例一所制备的具有减阻微沟槽结构的Al层涂覆型TPU薄膜放置2个月后的三维形貌(上方观测)；图11是实施例一所制备的具有减阻微沟槽结构的Al层涂覆型TPU薄膜放置2个月后的三维形貌(侧面观測)，由图可见，压印薄膜的保形能力比较好，弾性回复变化比较小，微沟槽的尺寸随时间的回弹变化数据如表2所示。表2微沟槽随时间的回弹变化
天数O3060 立 I'isUuu 100.5 98.3(2.20%) 97.9(2.71%)
高ぬ:Ιι(μιη) 98.3 93.4(3.53%) 92.6(4.06%)取实施例一制备的具有减阻微沟槽结构的Al层涂覆型TPU薄膜(以下称Al层涂覆型TPU薄膜)以及没有涂覆Al层的TPU薄膜(以下称TPU薄膜)，采用美国Atlas (亚太拉斯)Ci3000+氙灯气候老化试验仪对薄膜进行人工气候老化实验，通过改变温度、湿度、喷淋，利用氙灯模拟自然气候和全光谱人工日光，对Al层涂覆型TPU薄膜和TPU薄膜的耐老化性能进行测试。所设置的实验參数为辐照强度90W/m2，湿度10%，风速32m/s，无喷淋。利用原子力显微镜(AFM)对辐照不同时间的TPU薄膜进行测试，图12是TPU薄膜表面的AFM图；图13是人工老化240h后的TPU薄膜表面的AFM图；图14是人工老化480h后的TPU薄膜表面的AFM图。TPU薄膜经氙灯辐照前后表面粗糙度Ra (nm)的变化如表3所示，可见，辐照前，试样表面相对较为光滑，表面缺陷较少；辐照开始后，随着辐照时间的延长，薄膜表面粗糙度逐渐增加，表面缺陷逐渐增多。表3未涂覆Al涂层的TPU薄膜辐照前后表面粗糙度Ra (nm)的变化 辐照时间ReOm)辐照时间Ra(Iun)
Oh7.717240 h10.813
4S Ii8.911360 Ii12.429
120 h9.969480 h17.012用扫描电子显微镜(SEM)观察TPU薄膜经氙灯辐照老化前后的拉伸断ロ表面形貌，结果如下图15是TPU薄膜断面的SEM照片；图16是人工老化480h的TPU薄膜断面的SEM照片；图17是人工老化480h的TPU薄膜侧面的SEM照片。从图中可以看出，未经辐照的聚氨酯薄膜(TPU)拉伸断ロ呈撕裂状，各处相互粘结的カ较均匀，随着辐照时间的增长，聚氨酷薄膜拉伸断ロ表面形貌逐渐变得较为光滑，撕裂状逐渐变少，表面脆性増加，且拉伸损伤均在薄膜所受的辐照ー侧。利用原子力显微镜(AFM)对辐照不同时间的Al层涂覆型TPU薄膜进行测试，图18是实施例一制备的Al层涂覆型TPU薄膜表面的AFM图，从图中可以得出其表面粗糙度为7. 25，薄膜表面镀层形貌比较平整；图19是人工老化240h后的Al层涂覆型TPU薄膜表面的AFM图；图20是人工老化480h后的Al层涂覆型TPU薄膜表面的AFM图；从图中可以看出，辐照开始后，薄膜的表面粗糙度随辐照时间的增加上升缓慢，说明薄膜表面的光滑结构遭受的破坏性很小，表面缺陷未见明显增多。Al层涂覆型TPU薄膜经氙灯辐照前后表面粗糙度Ra (nm)的变化如表4所示表4A1层涂覆型TPU薄膜辐照前后表面粗糙度Ra (nm)的变化
福照时间Ra(Iim)辐照时间Ra(Iun)
Oh7.25240 h8.42
48 h7.46360 h8.60
I2l) h8.()8480 18.69用扫描电子显微镜(SEM)观察Al层涂覆型TPU薄膜经氙灯辐照老化前后的拉伸断ロ表面形貌，结果如下图21是未辐照的Al层涂覆型TPU薄膜表面的SEM照片；图22是辐照480h的Al层涂覆型TPU薄膜表面的SEM照片；从图中可以看出薄膜镀铝后辐照前后的表面形貌变化，由图22可见辐照20天后并未对镀铝层造成很大破坏，仅可见轻微裂纹，镀铝层表面仍然很光滑，仍然可以依附于薄膜表面起到保护薄膜的少受气候老化的作用。紫外光谱分析
在日光的照射下，热量不断地积聚在被辐照物体表面，会使其表面温度不断升高，増加能耗。由太阳辐射光谱可知，太阳辐射能量的95%在可见光区和近红外光区(400 2500nm)，根据关系式a + p + τ = I其中，α——吸收率，物体表面吸收的辐射能量与入射到该物体表面的辐射能量之比；P——反射率，物体表面反射的辐射能量与入射到该物体表面的辐射能量之比；τ——透射率，透过物体的辐射能量与入射到该物体表面的辐射能量之比。为了提高飞艇表面薄膜的反辐射隔热能力，只有提高薄膜的反射率P，才能够使薄膜表面对能量吸收的少，即α低，薄膜温度上升的就不高，这是热反射涂层的首要能力。另外热反射薄膜还要具备把吸收的能量再发射出去的能力。 同时，在临近空间的紫外线强度非常大，所以薄膜的对紫外线的透过率和反射能力也是我们考察的重点。图23是紫外-可见-近红外透过光谱图；其中a代表TPU薄膜，b代表溅射ー层厚度为120nm的铝层的TPU薄膜；图24是太阳光反射率光谱图；其中a代表TPU薄膜，b代表溅射ー层厚度为120nm的铝层的TPU薄膜，从图中可以看出，虽然薄膜镀铝后的紫外透过率几乎没有明显的变化，但是可见-近红外透过率与原膜相比降低了许多，说明镀铝层很好的阻止了可见-近红外光的透过；而且涂层的紫外-可见-近红外光的太阳光反射率增加了，说明涂层能很好的反射太阳辐射的能量，可以起到隔热降温、反射紫外线保护蒙皮材料的效果。沟槽减阻数值模拟沟槽面有两种放置方法即顺流向和垂直流向，顺流向沟槽更有利于减阻。对对称V型沟槽的流场进行了分析。模型沟槽高度和间距均为O. 1mm，流场区域展向1mm，流场流向为3mm，沟槽面与平板面间距3mm，网格划分见图25。流场入口为速度入口，来流速度10m/s，出口为自由出口 ；流场域左右边界定义为对称边界。大气密度取为O. 08803kg/m3，空气粘性系数为1.4126Xl(T5kg/mXs。采用RNG K - ε湍动能方程求解，结果如下图26是来流速度为lOm/s时，流向横截面速度云图，图的上端为光滑平板面，下端为沟槽面，图26表明流场壁面具有明显的边界层，在靠近壁面时流场的速度均比较小；图27和图28分别给出了沟槽壁面和平板壁面的速度云图，从两图可以看出，沟槽表面速度分布与平板存在较大差异，外部高速流体直接从沟槽面表面的低速流体上流过，避免了较大面积接触板面而造成能量损失；同时，沟槽底部y方向速度梯度小于沟槽尖峰处的速度梯度，使得整个沟槽面相比平板面具有较小的摩擦阻カ成为可能；图29表明，此算例的平板面和沟槽面均有涡产生；图30给出了沟槽附近涡强度的分布云图，表明在V型尖端附近涡强度比较大，流动较复杂；图31表明剪切应カ主要发生在V型沟槽的尖端附近，这是因为此处速度梯度沿y向变化比沟槽底部大。沟槽减阻数值模拟结果表明，本发明所制备的表面带有微沟槽结构的TPU薄膜具有减阻效果。
权利要求
1.飞艇蒙皮用Al层涂覆型TPU薄膜减阻微沟槽的热压印制备方法，其特征在于飞艇蒙皮用Al层涂覆型TPU薄膜减阻微沟槽的热压印制备方法按以下步骤进行 一、采用超精密微细加工机床系统加工出表面具有“V”型沟槽结构的Al制模板，所述“V”型沟槽在Al制模板表面形成交替通透的沟纹，每个沟纹的宽度s为90 110 μ m，深度h 为 90 110 μ m ; ニ、将步骤一中所制备的Al制模板用丙酮超声清洗15 20min，烘干后先涂覆三层洁膜剂，再涂覆三层封孔剂，最后涂覆三层水性脱模剂，每ー层的涂覆时间间隔为15 20min ； 三、取欲压印的TPU薄膜,用无水こ醇超声清洗5 IOmin,自然晾干备用； 四、将经步骤ニ处理的Al制模板安装固定在热压印机的压头上，在热压印机的承载台上放置石英玻璃基底，将经步骤三处理的TPU薄膜平铺在石英玻璃基底上，预热至130 135°C后，降下压头，待Al制模板和TPU薄膜接触后升压至50 70N，在温度为130 135°C、压カ为50 70N的条件下，压印15 20min，停止加热，自然冷却，并保压2 2. 5h，撤去压力，抬起压头，得到表面具有减阻微沟槽的TPU薄膜； 五、采用磁控溅射技木，磁控溅射的电源为直流电源，在电流为O.4 O. 5A、真空度为O.5 O. 6Pa、lS气流量lOOsccm、派射时间为3 IOmin的条件下,在步骤四得到的表面具有减阻微沟槽的TPU薄膜上溅射ー层Al层，完成飞艇蒙皮用Al层涂覆型TPU薄膜减阻微沟槽的热压印制备。
2.根据权利要求I所述的飞艇蒙皮用Al层涂覆型TPU薄膜减阻微沟槽的热压印制备方法，其特征在于步骤一中Al制模板的长度为50 52mm，宽度为50 52mm，厚度为5 8mm η
3.根据权利要求I或2所述的飞艇蒙皮用Al层涂覆型TPU薄膜减阻微沟槽的热压印制备方法，其特征在于步骤三中所述TPU薄膜的厚度为25 200 μ m。
4.根据权利要求I或2所述的飞艇蒙皮用Al层涂覆型TPU薄膜减阻微沟槽的热压印制备方法，其特征在于步骤三中所述TPU薄膜的厚度为90 110 μ m。
5.根据权利要求3所述的飞艇蒙皮用Al层涂覆型TPU薄膜减阻微沟槽的热压印制备方法，其特征在于步骤四中待Al制模板和TPU薄膜接触后升压至55 65N。
6.根据权利要求5所述的飞艇蒙皮用Al层涂覆型TPU薄膜减阻微沟槽的热压印制备方法，其特征在于步骤四中在温度为130°C的条件下，压印20min。
7.根据权利要求5所述的飞艇蒙皮用Al层涂覆型TPU薄膜减阻微沟槽的热压印制备方法，其特征在于步骤四中在温度为135°C的条件下，压印15min。
8.根据权利要求5、6或7所述的飞艇蒙皮用Al层涂覆型TPU薄膜减阻微沟槽的热压印制备方法，其特征在于步骤四中保压时间为2h。
9.根据权利要求8所述的飞艇蒙皮用Al层涂覆型TPU薄膜减阻微沟槽的热压印制备方法，其特征在于步骤五中在电流为O. 4A、真空度为O. 5Pa、氩气流量lOOsccm、溅射时间为3 IOmin的条件下，在步骤四得到的表面具有减阻微沟槽的TPU薄膜上溅射ー层Al层。
10.如权利要求I所述的飞艇蒙皮用Al层涂覆型TPU薄膜减阻微沟槽的热压印制备方法，其特征在于采用表面具有“ V”型沟槽结构的Si模板或Ni模板替代表面具有“ V”型沟槽结构的Al制模板。
全文摘要
飞艇蒙皮用Al层涂覆型TPU薄膜减阻微沟槽的热压印制备方法，它涉及飞艇蒙皮材料的制备方法。本发明要解决蒙皮耐候性差、阻力大、隔热性差的问题。制备方法一、制备Al制模板；二、清洗模板并涂覆脱模剂；三、用无水乙醇超声清洗TPU薄膜；四、在130～135℃、50～70N的条件下，压印15～20min，停止加热，保压2～2.5h；五、采用磁控溅射技术，在步骤四的TPU薄膜上溅射Al层得到的具有减阻微沟槽的Al层涂覆型TPU薄膜。本发明得到了高分辨率、高深宽比结构的微沟槽，薄膜表面的Al层，能反射太阳辐射、增加耐候性，并具工艺设备简单、成本低廉。本发明用于制备临近空间飞艇减阻耐候蒙皮材料。
文档编号B29C59/02GK102673052SQ20121016874
公开日2012年9月19日 申请日期2012年5月28日 优先权日2012年5月28日
发明者刘宇艳, 刘少柱, 刘羽熙, 王长国, 谭惠丰, 邢麒麟 申请人:哈尔滨工业大学