材料摩擦与耐磨性

材料科学与化学工程学院材料摩擦与耐磨性课程设计课程编号：103809学号：S314100034专业：材料科学与工程学生姓名：鲁佳男任课教师：金国教授2014年12月聚脲柔性减阻涂层鲁佳男材料科学与化学工程学院摘要：潜艇、鱼雷等水下航行器在海洋中航行时,由于其和海水流动相互作用,使其表面产生湍流边界层。从而产生速度和压力脉动形成流体阻力和噪声,导致航速和水下兵器的作战性能降低。减阻涂层的应用对减振降噪具有积极的作用。使用聚脲柔性减阻涂层是一种行之有效的方法。关键词：聚脲减阻涂层柔性面表皮层脂肪层一、研究背景水下航行器主要是指在海水中航行的船只(潜艇)和水中兵器(鱼雷)。21世纪,随着沿海战略思想的更新,海战特点已从“消耗战”转向“速决战”[1-2]。研制小阻力、低噪音的安静型水下航行器已被一些国家看好,并将很快地投入实战使用潜艇、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。就水下航行器采取的减阻技术而言,柔性面技术减阻的优点是适用于运动的物体表面[3],柔性面一般为薄的弹性涂层或一层不渗透的薄膜,因其柔性效应可以抑制和吸收压力脉动[4-5],从而减少了航行阻力,此外还可降低航行时的噪声该复合涂层由柔性表皮减阻层和柔性脂肪层组成,如图1所示。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(Acclaim4200)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[6]。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[7-8]。图1复合涂层聚脲柔性减阻涂层与传统的硅胶、PVC、聚氨酯、丙烯酸等减阻涂层相比具有以下优点1耐冲击，附着力好2密度与水基本相同3模量低，阻尼小4涂层致密,不透水二、应用聚脲材料除了自身具有良好的防水和耐介质性能,能耐受苛刻环境的考验,更重要的是涂层的模量可在很宽的范围内自由调节[9],相对于传统的硅胶、PVC、乳胶、丙烯酸等材料,聚脲能够更容易地制备出不同模量的基料,因此,在减阻材料中具有广泛的应用前景,具体表现在以下几个方面：1水面舰艇:水的摩擦阻力是影响水面舰艇航速的主要因素之一。若在船体外壁水线以下部位涂敷一层减阻涂料[10],可有效地减少航行阻力,提高航速,从而提高战斗力。减阻涂料还可用于各类民用船舶,既提高了航速又降低动力消耗,在体育比赛的赛艇等领域也有广泛的应用。2鱼雷:减阻涂层在鱼雷等水中兵器中最可能率先应用,如美国的仿生学家制造出了一种厚度2.5mm柔性人造海豚皮粘于鱼雷表面,在一定的速度范围内有明显的减阻作用。3新型潜艇:未来的新型潜艇必须降低声学目标强度,除了对艇型横断面设计、低噪声推进器、浮筏减振、消声瓦吸声等措施进行研究外,有必要在艇体表面采用减阻技术,提高航速[11]。减阻涂层的另一个作用是减少水流入射到壳壁上的脉动压力,从而降低潜艇的辐射噪声,提高其隐蔽性。三、原理及制备（一）原理柔性面一般为薄的弹性涂层或一层不渗透的薄膜,其减阻增推的最主要原因在于改变了附面层内湍流结构,其减阻机理不同于一般的涂料。柔性利用的是弹性涂层能抑制和吸收压力脉动,尽可能延迟层流边界层向湍流边界层的转捩,导致层流边界层的增厚,维持层流边界层流动。从而利用层流边界层固有的低摩擦性能,达到减阻的目的。柔性面另有一种独特的作用是降低潜艇辐射的噪声。柔性面使边界层产生同步波动,使边界层的波动频率、波速、振幅分别与柔性表面的参数相等。在这种情况下,脉动力和阻力可减小,从而减小牛顿剪切应力,阻滞层流边界层向湍流边界层的转捩,有效地减弱湍流猝发时的脉冲力对壁面作用的强度,从而导致噪声的降低（二）制备国外报道有两种方法生成柔性面，一种是配制成胶液涂在基材上，一种是直接制成柔性面。设计柔性面减阻材料要满足四个条件[12]1剪切模量G应与水动压力同量级；2密度与水接近；3小阻尼(即很小的柔面耗散)；4不透水。这意味着需要合成一种高柔软、低阻尼(低损耗性)低模量的弹性树脂基料，而且涂层还应具有优良的力学和耐海水性能；在聚脲材料中有两种不同的配方体系,即脂肪族和芳香族。脂肪族聚脲A组分是由软段端氨基聚醚和硬段异氰酸酯(反应活性很低的TMXDI和IPDI)合成的预聚体;B组分主要由端氨基聚醚和脂肪胺类扩链剂(例如:D-230,IPDA,efflinkTM745)助剂、填料等组成。脂肪族聚脲使用的主要原材料见表1表1脂肪族合成材料芳香族聚脲的A组分由软段羟基聚醚和硬段异氰酸酯(反应活性很高的MDI)合成;B组分主要由端氨基聚醚和液体胺类扩链剂(例如:DETDA,DMTDA)助剂、填料等组成。芳香族聚脲使用的主要原材料见表2表2芳香族合成材料由于芳香族异氰酸酯如MDI及其衍生物同端氨基聚醚的反应活性很高,半预聚物合成时只能在很低的温度下进行,并且对氨基聚醚的加入方式(滴加)和分散措施也要求很高,所得到的预聚物粘度大、贮存稳定性差,故很少采用该方法。常用合成配方：二苯基甲烷二异氰酸酯(MDI)，聚氧化丙烯醚多元醇，聚四氢呋喃，低不饱和度聚氧化丙烯醚多元醇，端氨基聚氧化丙烯醚，胺类扩链剂：二乙基甲苯二胺，稀释剂:碳酸丙烯酯，助剂:着色剂，流平剂，消泡剂，防沉降剂，偶联剂，具体含量见表3表3常用合成配方实验步骤分为三步,第一步合成聚氨酯半预聚体,将计量的低聚物多元醇加入到配有搅拌器、温度计、真空系统和电加热套的三口反应烧瓶中,升温至100～140℃,高真空度下脱水1～2h,直至水含量低于0.05%,然后冷却至40～60℃,解除真空;将脱水后的低聚物多元醇加入到过量的二异氰酸酯中(组成见表3-1),反应放热,体系自然升温30～40min后,缓慢加热到80℃±5℃,保温反应2～3h,取样测定预聚物中-NCO端基含量(二正丁胺法)当与设计值基本相符后,将预聚物置于密闭容器中,脱气充氮待用。第二步制备B组分,根据聚氨酯半预聚体中的异氰酸根含量,将端氨基聚醚、胺类扩链剂、助剂、颜料浆按比例在高速搅拌机中搅拌一小时,使之完全混合均匀,出料,密闭保存。第三步,使用高温高压混合设备将A、B两组分混合后喷涂在涂有脱膜剂的PVC板表面或相应试验样板上,根据测试要求,涂层厚度控制在0.7～2.0mm。喷涂制样采用美国Gusmer公司H-20/35主机和GX7-400喷枪,喷涂设定温度为65℃,喷涂压强为65Kg/cm2。为了达到最佳的混合效果,喷涂设备要求各组分常温下粘度控制在1600mPa.s以下,喷涂温度下控制在150mPa.s以下,并且要求A、B物料的粘度尽量接近。A、B物料的体积比设定为1:1,异氰酸酯指数选择为1.05～1.10。喷涂完毕后在温度25℃、相对湿度50%条件下,养护7天后进行性能测试。流程图见图2。（三）性能检测密度测定:按GB/T533进行耐海水性能测定:按GB/T9274-1988中浸泡法进行玻璃化转变温度(Tg)的测定:用热分析仪水蒸气透过率的测定:用PERMATRAN-W3/33型水蒸气透过率测试仪,按GB1037进行;硬度测定:采用硬度计,按GB/T531进行附着力测定:采用PosiTest附着力检测仪力学性能的测定:用INSTRON-4467型拉力机阻力系数的测定：小循环水槽进行0.5～4m/s流速平板阻力性能试验参考文献[1]海天.未来海战的杀手锏——新概念武器之超高速、超空泡、反鱼雷鱼雷武器[J].舰载武器,2005,12:72-80[2]徐起.世界攻击型核潜艇的最新发展[J].当代海军,2005,12:51-53[3]JoslinR.D.,MorrisP.J.Effectofcompliantwallsonsecondaryinstabilitiesinboundary-layertransiton[J].AIAAJournal,1992，30(2):332-339[4]CarpenterP.W.Optimizationofmultiple-panelcompliantwallsfordelayoflaminar-turbulenttransiton[J].AIAAJournal,1993,31(7):1187-1188[5]DixonA.E.,LuceyA.D.,CarpenterP.W.Optimizationofviscoelasticcompliantwallsfortransitiondelay[J].AIAAJournal,1994,32(2):256-267[6]黄微波、陈国华、卢敏等,聚脲柔性减阻材料的制备及性能.高分子材料科学与工程(EI),2007,23(3):247-250[7]李克文,连淇祥.边界层减阻研究综述[J].北京航空航天大学学报,1991,4:68-7[8]黄微波、王宝柱、卢敏等,减阻降噪技术研究综述及发展趋势.中国工程院化工冶金与材料工程学部第五届学术会议论文集.北京:中国石化出版社,2005,11.702-706[9]JayA.JohnstonandSamanthaSmith(HuntsmanPolyurethanes).TheSofterSideofPolyureaElastomerCoatings[A].Presentedatthe3rdPDAAnnualConferenceMeeting[C].SanAutonio,Texas:Nov.9-11,2002[10]黄微波,王宝柱,陈酒姜等.喷涂聚脲弹性体技术及其在舰艇的应用[A].第九届船舶水下噪声学术讨论会论文集[M],2003,4:162-169[11]E.DailThomas.UseofPolyureabytheU.S.Navy[A].Presentedatthe5thPDAAnnualConferenceMeeting[C].Tampa,Florida:March2-4,2004[12]ZhengZ.C.Effectsofflexiblewallsonradiatedsoundfromaturbulentboundarylayer[J].JofFluidsandStructures,2003,18:93-101