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水下航行器喷涂聚脲柔性涂层的制备及减阻性能的研究

黄微波

   潜艇、鱼雷等水下航行器在海洋中航行时,由于速度和压力脉动形成流体阻力和噪声,导致航速和水下航行器的作战性能降低。因此,研究并开发航行器表面涂层减阻技术对提高航行器的性能,增强国防实力具有重要意义。 喷涂聚脲弹性体技术(Spray Polyurea Elastomer,简称SPUA)是由A、B两组分化合物经高温、高压、撞击混合设备,喷涂到物体表面制备弹性体材料的一种成膜技术。本文采用SPUA技术,制备了具有海豚表皮及皮下脂肪组织力学特性的聚脲复合柔性减阻涂层。 该复合涂层由柔性表皮减阻层和柔性脂肪层组成,其中柔性表皮减阻层是以2,4’-二苯基甲烷二异氰酸酯(MDI-50)与聚氧化丙烯醚多元醇(330)和低不饱和度聚氧化丙烯醚多元醇(Acclaim?4200)合成异氰酸酯(NCO)含量在13~14%的半预聚体作为A组分; B组分中含具有减速效果的位阻型扩链剂(Jefflink?754)和端氨基聚醚及助剂。控制其硬段含量为36%,制备出在0~40℃海水自然条件下,拉伸强度为5.4MPa、断裂伸长率为796%、100%模量为2.18MPa、损耗因子大于0.3的聚脲柔性表皮减阻涂层。固化后的涂层密度仅为1.00~1.05g/cm3,满足了柔性表皮涂层密度与水接近和不透水的要求。 柔性脂肪层采用Acclaim?4200和MDI-50合成NCO含量在11~12%的的聚氨酯预聚物作为A组分;设计异氰酸酯指数为0.9,调节长链端氨基聚醚的用量,引入聚己内酯(CAPA3091),将位阻型仲胺扩链剂(JefflinkTM754)、分散助剂等原材料混合制备成B组分,其拉伸强度为3.4MPa、断裂伸长率为906%、100%模量为1.92MPa。在柔性脂肪层表面喷涂聚脲柔性表皮减阻层,形成一种含有不同性能、结构的复合柔性减阻涂层,模拟海豚的表皮及皮下脂肪结构在水中的减阻作用。实验确定了制备柔性脂肪层和柔性表皮减阻层的最佳合成条件是:A组分中聚合物多元醇组分须经脱水工艺至水分含量在0.05%以下;合成温度为80℃,反应时间为4小时,所得预聚体粘度在25℃时为1500~1600mPa.s,稀释剂用量控制在10%以内。确定喷涂最佳工艺参数为:液压65 kg/cm2,物料温度65℃,A、B组分的体积比为1:1,喷涂速度为0.6~1Kg/min,喷枪移动速度约为0.3~0.5m/s。 该涂层具有无毒、无味、易于成型、涂层致密等特点,经测试:在水流速度为4m/s时,柔性表皮减阻层达到12~15%的减阻效果,优于国内现有水平;在水流速度为3~10m/s范围内,复合柔性减阻涂层平均减阻率为6.84%,优于柔性表皮减阻层的平均减阻率5.18%。表明:在一定流速范围内,聚脲复合柔性减阻涂层对抑制流体的压力脉动、推迟层流层向湍流层的转捩、实现减阻的作用优于聚脲柔性减阻表皮层。 对涂有聚脲柔性复合减阻涂层的模型,在不同速度的水下拖曳实验表明:该涂层具有较强的机械性能,实现了材料的减阻功效与强度的统一。 用CFD(Computational Fluid Dynamics)模拟数值计算所设计的材料表面的涡街随行波几何形状,从而确定出能稳定留驻旋涡的仿海豚皮肤表面微型凹凸起伏的具体尺寸。数值计算表明:正弦形随行波设计方法是合理的,随行波技术在理论上的确出现了液体滚珠效应,具有减阻作用。 随行波铝板表面喷涂减阻涂层后的协同减阻效果还有待今后深入研究。……   
[关键词]:喷涂;聚脲;柔性面;减阻技术;水下航行器
[文献类型]:博士论文
[文献出处]:中国海洋大学2007年