基于微钻头制孔的电极壁面微凹坑电解微气泡发生装置的制作方法

本发明涉及水下航行体主动式减阻技术领域，尤其是涉及一种基于微钻头制孔的电极壁面微凹坑电解微气泡发生装置。

背景技术：

水下航行器受到的阻力约是空中飞行器的1000多倍，导致传统水下作战兵器普遍存在速度慢、航程短、精度低的缺陷。为了提高水下航行器的航速，改善水下兵器的作战性能，目前一般采用增大推进动力和降低航行阻力这两种技术途径。由于在常规情况下，推力增加八倍才能使航行器的航速提高一倍。而有限尺寸的航行器限制了推力装置的规模，因此采用常规方法来显著提高航行器航速十分困难。而且，目前采用优化水下航行器线型实现减阻的方式已很难实现阻力的明显降低。

近年来，仿生沟槽表面和微气泡形成的气垫对于流动减阻的潜在应用价值，使之成为水下减阻领域的研究热点之一。当前，针对微气泡形成、驻留控制等减阻技术主要存在以下技术瓶颈有待突破：微气泡产生主要通过通气方式，该方式产生的微气泡尺寸难以控制，且能耗很大；同时，目前具有的通过电解产生微气泡的技术，生成的微气泡在航行体表面驻留的稳定性较差，难以实现对微气泡尺寸生长的控制，且无法实现微气泡破裂或从凹坑脱落时的自适应控制，因此，为提高水下航体航程、航速，迫切需要发明一种基于微钻头制孔新型自适应控制微气泡减阻发生装置，以实现水中多尺度复杂流动环境中适时有效的减阻。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服微气泡减阻技术中存在的微气泡难以稳定驻留以及难以实现自我补充的关键问题，提供一种通过电解nacl溶液的基于微钻头制孔的电极壁面微凹坑电解微气泡发生装置，可提高微气泡的驻留稳定性，提升微气泡驻留率，实现微气泡减阻。

本发明包括基体、碳棒和稳压直流电源，所述基体的表面设有电极壁面微凹坑结构，基体的上表面铺设有聚酰亚胺涂层，基体的下表面通过电源导线连接稳压直流电源的负极，碳棒连接稳压直流电源的负极。

所述基体可采用金属铜片。

所述电极壁面微凹坑呈圆柱形设置。

所述电极壁面微凹坑的直径可为40～400μm，深度可为20～200μm

所述电极壁面微凹坑可通过微钻头钻孔形成，且呈均布或线性增加间隔设置。

所述涂层可采用液态聚酰亚胺。

所述聚酰亚胺涂层的厚度可为20～50μm。

所述基体下表面和电源导线连接处覆盖一层500mm厚度的导电胶

本发明所述基于微钻头制孔的电极壁面微凹坑电解微气泡发生装置，可采用以下方法制作：

1)表面有机清洗：采用有机清洗剂对基体表面进行清洗；

2)制作聚酰亚胺涂层：将基体固定至旋涂机上，在基体上表面旋涂液态聚酰亚胺，使得基体上表面均布聚酰亚胺涂层；

3)烘干聚酰亚胺涂层：采用真空烘干机，对已旋涂聚酰亚胺的基体在130℃下真空烘干5min；

4)制作微凹坑：在已旋涂聚酰亚胺涂层的基体上使用微钻头，钻孔形成电极壁面微凹坑；

5)导线连接：将电源导线一端通过导电胶连接到基体下表面，另一端连接至稳压直流电源的负极，将碳棒通过电源导线连接到稳压直流电源正极。

与现有技术相比，本发明技术方案取得的有益效果是：

1、本发明利用稳压直流电源通过电解nacl溶液在电源负极产生氢气的特性，选择金属铜片作为基体，在基体上表面旋涂液态聚酰亚胺，在旋涂液态聚酰亚胺的基体上表面通过微钻头，钻孔制备电极壁面微凹坑，形成用于电解nacl溶液的电源负极，在电极壁面微凹坑中电解nacl溶液，当微气泡在微凹坑中破裂或者脱落时，具备实时补充的效果，能够实现微气泡的自适应控制，同时，通过微钻头钻孔形成的电极壁面微凹坑直径圆整度高，精度高，能够有效束缚微气泡，使其在微凹坑中稳定驻留，解决现有技术下的微气泡驻留问题，提高微气泡在微凹坑中的驻留率，实现稳定驻留，提高减阻率。

2、与通过微孔通气形成微气泡减阻技术相比较，本发明不需要长时间连续通气，能源损耗更少。

3、本发明在微气泡破裂或脱落时，气液界面低于聚酰亚胺涂层，微气泡发生装置自行启动电解电路，能够实时补充微气泡损耗，而且适用于水上舰船或水下航行体，对舰船和航行体的形状限制较小。

4、与电解水产生微气泡减阻技术相比，本发明可以稳定地维持微气泡的驻留，提高微气泡在电极壁面微凹坑中的驻留率，可以增强微气泡减阻的持续性和有效性，更加有利于在实际场景下的应用。

5、本发明可以实现当微气泡破裂或脱落时，自动触发电解电路，实现微气泡的自适应实时补充，是一种微气泡发生的自适应控制的方式，操作简便，可控性强。

6、本发明可以通过调节直流稳压电压的大小，来控制微气泡生成的速率，从而减少能源损耗，有利于实现减阻效果的控制。

7、本发明可以通过调节电极壁面微凹坑的钻孔直径和深度来控制生成微气泡的直径和速率，从而提高微气泡减阻的效率。

附图说明

图1为本发明所述基于微钻头制孔的电极壁面微凹坑电解微气泡发生装置的结构示意图。

图2为利用微钻头制孔的电极壁面微凹坑电解微气泡发生装置的制作工艺流程图。

图3为本发明的原理示意图之一。

图4为本发明的原理示意图之二。

图中各标记为：1-液面；2-聚酰亚胺涂层；3-基体；4-直流稳压电源；5-碳棒；6-电源导线；7-微凹坑；8-微气泡；9-水流。

具体实施方式

为了使本发明所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚、明白，以下结合附图和实施例，对本发明做进一步详细说明。

如图1所示，本实施例中，基于微钻头制孔的电极壁面微凹坑电解微气泡发生装置包括基体3、直流稳压电源4和碳棒5；

所述基体3采用金属铜片，在基体3的表面均布或线性增加间隔布置有圆柱形的电极壁面微凹坑7，电极壁面微凹坑7的直径为40～400μm，深度为20～200μm；

所述基体3的上表面铺设有聚酰亚胺涂层2，所述聚酰亚胺涂层2的材质采用液态聚酰亚胺；电极壁面微凹坑7通过基体3下表面与电源导线6使用导电胶连接，便于通电；

所述基体3的下表面使用导电胶通过电源导线6连接直流稳压电源4的负极。

所述碳棒5的表面通过电源导线6连接直流稳压电源4的正极。

如图2所示，基于微钻头制孔的电极壁面微凹坑电解微气泡发生装置的制作流程包括以下步骤：

步骤1、表面有机清洗：采用有机清洗剂对基体3表面进行清洗；

步骤2、制作聚酰亚胺涂层2：将基体固定至旋涂机上，在基体上表面旋涂液态聚酰亚胺，使得基体3上表面均布聚酰亚胺涂层2；

步骤3、烘干聚酰亚胺涂层2：采用真空烘干机，对已旋涂聚酰亚胺的基体3在130℃下真空烘干5min；

步骤4、制作微凹坑7：在已旋涂聚酰亚胺涂层2的基体3上使用微钻头，钻孔形成电极壁面微凹坑7；

步骤5、电源导线6连接：将电源导线6一端通过导电胶连接到基体3下表面，另一端连接至稳压直流电源4的负极，将碳棒通过电源导线6连接到稳压直流电源4正极。

如图1和图3～4所示，本发明的原理如下：

1、装置工作时，将一种基于微钻头制孔的电极壁面微凹坑电解微气泡发生装置放入nacl溶液中，连接电源导线6至直流稳压电压4正负极，通过聚酰亚胺涂层2隔绝基体3上表面与nacl溶液的反应，利用圆柱形的电极壁面微凹坑7，通过电解产生的气体会被圆柱形电极壁面微凹坑束缚住，逐渐形成微气泡8，当微气泡8充满凹坑时，则形成的微气泡8隔断电解电极与nacl溶液的电解反应，此时，电解反应自动终止；

2、当水流9运动时，微气泡8受到水流9的剪切流流动作用，微气泡会发生破裂或脱落，当微气泡气液界面降到低于聚酰亚胺涂层以下时，如图3所示，则自适应控制启动，电解反应自动气动，实时补充微气泡8，使微气泡8维持在图4所示位置，从而达到稳定维持微气泡8的效果；由于钻孔形成的微纳凹坑(微凹坑)的圆整度高，精度高，高精度电极壁面微凹坑能够有效束缚微气泡，提高微气泡的驻留率。由于所述微气泡8的稳定驻留，减少了壁面的切应力，降低了微气泡8减阻平面上的阻力。

本发明工作时，可以在微气泡发生装置平板表面微纳凹坑内稳定地驻留微气泡8，实现减阻效果；本发明可随着微气泡8的破裂或脱落而自主工作，实现对微气泡8的自适应控制，能耗和成本较低，易于实现在实际工程中的应用，此外，本发明可以通过调节直流稳压电压的高低，来控制微气泡8生成的速率，通过调节电极壁面微凹坑7的直径和深度来控制生成微气泡8的直径及速率，由此实现对减阻效果的调节。

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