基本信息
- 项目名称：
- 仿水黾四足复合材料水面滑行器
- 来源：
- 第十二届“挑战杯”作品
- 小类：
- 能源化工
- 大类：
- 科技发明制作B类
- 简介：
- 本项目研制的仿水黾四足复合材料水面滑行器有利于具有高负载力的水面快速推进运输装置的设计制造，推动相关产业的技术进步；本项目研究的复合材料表面超疏水结构制备技术能赋予复合材料表面自清洁、防冰冻、耐腐蚀等特性。项目的主要创新点：发展了一种新的制备超疏水表面的方法，首次在复合材料上制备出了超疏水表面；首次采用复合材料制备出了具有类似水黾性质的超疏水和高负载力的简易水面滑行器。
- 详细介绍：
- 聚合物基复合材料由于具有重量轻、可设计性强、高比强度、高比模量等优点而日益引起广泛的关注，我校在聚合物基复合材料研究方面具有独特的优势和基础，以聚合物基复合材料为基础制备仿水黾滑行器具有比其它材料（如金属等）更多的优势，本项目的研究对于开发水面高负载力、快速推进的新型水上交通工具和新型战斗装备如军舰等具有重大的参考和借鉴价值，同时，可推动聚合物基复合材料超疏水表面制备技术在高铁、汽车、风电装置、建筑物等结构体外表的应用，提高其自清洁、抗冰冻及耐腐蚀性等。主要内容： 1、超疏水复合材料板的制备及其性能表征（1）制备纳米氧化铜粉体。（2）制备复合材料板。（3）利用纳米喷粉结合自组装技术制备超疏水表面。（4）复合材料板超疏水性能的表征。 2、仿水黾四足复合材料水面滑行器的制备及其性能表征（1）设计并制备简易的超疏水复合材料水面滑行器。（2）滑行器超疏水性能的表征。（3）滑行器结构的优化设计。（4）尝试加载动力装置及放大实验。重要观点：（1）通过合适的技术在聚合物基复合材料表面构建一定微观结构并修饰低表面能物质可以获得超疏水聚合物基复合材料。（2）聚合物基复合材料具有重量轻、比强度高的特点，采用超疏水聚合物基复合材料制备高负载力水面滑行器是正确的选择。（3）仿水黾聚合物基复合材料水面滑行器在军工等领域有非常重要的潜在应用前景。（4）本项目的研制有助于推动和加速高负载力、快速推进的水上交通工具以及战斗装备的研究进程。创新特色：（1）发展了一种新的制备超疏水表面的方法，该方法不仅适用于聚合物基复合材料，对其它材料如金属、塑料等也适用。（2）首次在聚合物基复合材料上制备出了超疏水表面。（3）首次采用聚合物基复合材料制备出了具有类似水黾性质的超疏水和高负载力的简易水面滑行器。实践意义：（1）制备出的仿水黾聚合物基复合材料水面滑行器对于开发新型具有高负载力的水面快速推进能力的运输装置或战斗装备等具有重要的指导意义和推广应用前景，同时在水面侦查和环境监测等微型机器领域也具有重要的推广应用前景。（2）聚合物基复合材料在日常生产及生活中的应用越来越广泛，聚合基复合材料的超疏水结构表面制备技术在复合材料装置表面自清洁、防冰冻、耐腐蚀等领域具有十分重要的推广应用前景。社会影响：（1）本项目研制的仿水黾聚合物基复合材料水面滑行器具有水面高负载力及高运行速度的特性，有利于具有高负载力的水面快速推进运输装置的设计制造，推动相关产业的技术进步，为推进长沙市新型工业化进程做出贡献。（2）本项目研究的聚合物基复合材料表面超疏水结构制备技术，能赋予复合材料表面自清洁、防冰冻、耐腐蚀等特性，使得聚合物基复合材料未来技术水平大大提升。 （3）上述聚合物基复合材料表面超疏水结构的制备技术还可应用于高铁、汽车等金属结构或复合材料结构表面，应用于风电叶片装置、建筑物结构表面、包装材料表面等，使得这些表面也具有自清洁、防覆水冰冻、耐腐蚀等特性，从而推动新材料产业的下游，如装备制造业、建筑业等的技术进步。
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作品专业信息
设计、发明的目的和基本思路、创新点、技术关键和主要技术指标
- 1.作品设计的目的（1）设计类似水黾腿的超疏水表面微观结构；（2）研究复合材料超疏水表面的制备技术；（3）设计并制备出仿水黾超疏水高负载力复合材料水面滑行器。 2.基本思路（1）查阅和分析文献并使用电镜观察，对水黾腿超疏水性及高负载力的内在原因进行深入的分析和探讨；（2）研究超疏水表面的制备方法与复合材料成型工艺之间的兼容性；（3）研究复合材料超疏水表面的制备方法和技术；（4）表征复合材料表面超疏水性，优化超疏水表面制备工艺；（5）设计仿水黾复合材料水面滑行器构型；（6）制备具有超疏水性及高负载力的仿水黾复合材料简易水面滑行器；（7）测试仿水黾复合材料简易水面滑行器的负载力及运动特性，结合测试结果对结构进行优化设计；（8）放大实验。 3.创新点（1）发展了一种新的制备超疏水表面的方法，首次在复合材料上制备出了超疏水表面；（2）首次采用复合材料制备出了具有类似水黾性质的超疏水和高负载力的简易水面滑行器。 4.技术关键复合材料超疏水表面的制备技术是课题的关键技术。 5.主要技术指标（1）聚合物基复合材料水面滑行器与水的接触角大于150º。（2）聚合物基复合材料水面滑行器表面水滴滚动角小于5º。（3）聚合物基复合材料水面滑行器腿不会刺破水面，在水面的负载力达到1g/cm2。
科学性、先进性
- 1.科学性：（1）自然界水黾能够实现水面高速运动及高负载力在于其腿表面具有超疏水性，而形成超疏水性的原因在于其腿表面具有轻质的低表面能物质以及合适的微（纳）米结构；（2）很多研究者对于材料表面主要是金属材料表面的超疏水结构制备技术进行了研究，并取得了显著成果，对在聚合物基复合材料表面制备超疏水结构提供了理论支持；（3）聚合物基复合材料具有高比强度、高比模量及低密度等特性，通过对其进行超疏水处理并制备出仿水黾聚合物基复合材料水面滑行器具有科学性和可行性。 2.先进性：本作品可整体成型，工艺简单且易于控制产品形状，相比模板法、刻蚀法等更容易产业化；选择在聚合物基复合材料上制备超疏水表面，相比使用金属材料更有利于提高其负载力、降低阻力。
获奖情况及鉴定结果
- 2010年5月，国防科大第九届“创新杯”学员课外学术科技作品竞赛，获二等奖 2010年5月，长沙市第七届“大学生科技创新创业大赛”，获一等奖
作品所处阶段
- 实验室阶段
技术转让方式
- 暂无
作品可展示的形式
- 实物、产品，模型，图纸，磁盘，现场演示，图片，录像，样品
使用说明,技术特点和优势,适应范围,推广前景的技术性说明,市场分析,经济效益预测
- 作品适用于中性及碱性溶液中，作品应在干燥、避光条件下保存。目前已有的水面交通工具如轮船等面临着负载力达到极限的问题，更高负载力的新型水上交通工具的需求日益迫切，本作品具有比传统水上交通工具更高的负载力和运行速度，正顺应了这种需求，因而容易推广。相对于其它水上交通工具或滑行器，本作品的重量更轻，比强度更高，更容易被市场接受。本作品工艺简单，工艺条件易于控制，无需复杂设备，成本低廉，产品性能优良，适用范围广，可应用于水面交通运输领域、新材料产业、装备制造业、建筑业等。由此可见，本作品具有良好的推广前景。目前我国复合材料每年产值超过千亿，而复合材料应用在轮船、飞行器等方面的应用的年产值都超过百亿，若本技术在轮船、飞行器领域得到应用，按照产生附加值5%计算，可以产生超过五亿的产值。一旦此技术得到推广应用，将对我国复合材料产业链的发展将起到重要的推动作用，为该领域创造巨大的经济效益。
同类课题研究水平概述
- 2004年Gao等在Nature杂志上首次揭开了水黾之所以能在水面上快速稳定滑行和跳跃的秘密，他们用扫描电子显微镜对水黾腿进行了观察，发现水黾的腿表面有许多取向的针状刚毛，这些刚毛的直径在3微米到几百纳米之间，与腿的表面以倾斜20º的方向排列，在每个微米级的刚毛上还存在着很多复杂的纳米级沟槽，形成独特的分级结构，空气被有效地吸附在这些微米刚毛和螺旋状纳米沟槽的缝隙内，在其表面形成一层稳定的气膜，阻止了水滴的浸润，于是水黾的腿就表现出了超疏水特性，其与水的接触角高达167.6±4.4°，这使得水黾可以毫不费力地站在水面上，快速地移动和跳跃，即使在狂风暴雨和急速的水流中，也不会沉没。 2005年Shi等对水黾腿表面的微结构进行了模拟，他们用金丝作为模型来仿生制备了超疏水的金线，他们首先利用层层自组装技术在金丝表面上形成聚电解质多层膜，然后用电化学沉积在其上生长树枝状金纳米族，再在金纳米族上吸附十二烷基硫醇自组装单层膜，接触角的测量表明：金线表面的这种无序的微纳米结构薄膜是超疏水的，接触角约为160°，滚动角小于3°，粗糙的微结构增强了金丝表面的疏水性，金丝可以漂浮在水面上；2007年Shi等又通过修饰光滑和粗糙结构的金线获得了普通疏水和超疏水的金线，研究和比较这两种金线在水面的负载力等参数表明：普通疏水的腿就能使水黾漂浮在水面上，但要使水黾在水面上快速地移动和跃，则超疏水表面是必需的。高雪峰等采用一种简单的氨水溶液浸泡法在铜丝表面制备出纳米锥阵列结构，纳米锥表面具有类似水黾刚毛的纳米沟槽，经过氟硅烷分子层修饰后，接触角达到161.8°，该超疏水铜丝在水面上最大负载力达到118达因，而用光滑铜丝制作的普通疏水腿在水面上的最大负载力约为40达因。 Wu等将铜线浸渍在氢氧化钾溶液中形成氢氧化铜纳米针，用十二烷基硫醇修饰后获得超疏水性，然后以超疏水铜线模仿水黾腿制作了一个仿水黾的模型，实验测试结果显示超疏水铜线制成的仿水黾腿在水面的最大负载力为83达因，而用十二烷基硫醇修饰的光滑铜线制作的水黾腿在水上的最大负载力只有29达因。上述研究都主要集中在对水黾腿超疏水性和高负载力的解释方面，而且所用的材料都是以金属材料为主。目前国内外还没有关于聚合物基复合材料超疏水或仿水黾聚合物基复合材料的相关报道，而没有本项目研究的仿水黾聚合物基复合材料水面滑行的报道。
