专利名称：飞艇蒙皮用tpu薄膜减阻微沟槽的热压印制备方法
技术领域：
本发明涉及飞艇减阻用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。
发明内容
本发明要解决现有临近空间飞艇蒙皮阻カ大的问题，而提供一种飞艇蒙皮用TPU薄膜减阻微沟槽的热压印制备方法。
本发明飞艇蒙皮用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，完成飞艇蒙皮用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。本发明エ艺设备简单、方法灵活、成本低廉等优点。本发明用于制备临近空间飞艇减阻蒙皮材料。
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TPU薄膜表面的照片(上方观測);
图9是实施例一所制备的具有减阻微沟槽结构的TPU薄膜表面的照片(侧面观測);图10是实施例ニ所制备的具有减阻微沟槽结构的TPU薄膜表面的照片(上方观測);图11是实施例ニ所制备的具有减阻微沟槽结构的TPU薄膜表面的照片(侧面观測);图12是实施例一所制备的具有减阻微沟槽结构的TPU薄膜放置2个月后的照片(上方观测)；图13是实施例一所制备的具有减阻微沟槽结构的TPU薄膜放置2个月后的照片(侧面观测)；图14是三维模型网格划分图；图15是来流速度为lOm/s时，流向横截面速度云图；图16是沟槽附近速度云图；图17是光滑平板表面速度云图；图18是流向横截面涡强度分布云图；图19是沟槽附近涡强分布云图；图20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，完成飞艇蒙皮用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。
本实施方式的有益效果是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，本实施方式所制备的表面带有微沟槽结构的TPU薄膜具有减阻效果。本实施方式エ艺设备简单、方法灵活、成本低廉等优点。
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
一或ニ不同的是于骤一中，每个沟纹的宽度s为95 105 μ m，深度h为95 105 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25 200 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
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
一至五之一相同。
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
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在温度为135°C的条件下，压印15min。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四中保压时间为2h。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，撤去压カ，抬起压头，完成飞艇蒙皮用TPU薄膜减阻微沟槽的热压印制备。本实施例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。实施例ニ本实施例飞艇蒙皮用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15min，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20min ；三、取欲压印的TPU薄膜，用无水こ醇超声清洗lOmin，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135°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135°C、压カ为50N的条件下，压印15min，停止加热，保压2h，撤去压力，完成飞艇蒙皮用TPU薄膜减阻微沟槽的热压印制备。本实施例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。对实施例一和实施例ニ所制备的表面具有减阻微沟槽结构的TPU薄膜进行性能测试，结果如下实施例一和实施例ニ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
权利要求
1.飞艇蒙皮用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 IIOii m，深度h 为 90 110 u m ; 二、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，每一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 IOmin,自然晾干备用； 四、将经步骤二处理的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、压力为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，完成飞艇蒙皮用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。
3.根据权利要求I或2所述的飞艇蒙皮用TPU薄膜减阻微沟槽的热压印制备方法，其特征在于骤一中，每个沟纹的宽度s为95 105 u m,深度h为95 105 u m。
4.根据权利要求3所述的飞艇蒙皮用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 u m。
5.根据权利要求3所述的飞艇蒙皮用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 ii m。
6.根据权利要求4所述的飞艇蒙皮用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。
7.根据权利要求4、5或6所述的飞艇蒙皮用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。
8.根据权利要求4、5或6所述的飞艇蒙皮用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。
9.根据权利要求7所述的飞艇蒙皮用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。
10.如权利要求I所述的飞艇蒙皮用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TPU薄膜减阻微沟槽的热压印制备方法，它涉及飞艇减阻用蒙皮材料的制备方法。本发明要解决现有临近空间飞艇蒙皮阻力大的问题。制备方法一、制备表面具有“V”型沟槽结构的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、在温度为130～135℃、压力为50～70N的条件下，压印15～20min，停止加热，保压2～2.5h，完成减阻微沟槽的热压印制备。本发明采用热压印成型法是实现了微纳米尺度下在柔性薄膜上对结构图案进行微纳复制，得到高分辨率、高深宽比结构的微沟槽，并具有工艺设备简单、方法灵活、成本低廉等特点。本发明用于制备临近空间飞艇减阻蒙皮材料。
文档编号B29B15/00GK102672959SQ201210168800
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, 马涛 申请人:哈尔滨工业大学