[发明专利]飞艇蒙皮用具有减阻微沟槽结构的PU或TPU薄膜

说明书

技术领域

本发明涉及飞艇蒙皮材料。

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，属于高安全地带。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、动力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，临近空间飞艇是一类典型的柔性结构，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力组成。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。

PU或TPU薄膜是现有的平流层飞艇蒙皮耐候层材料，虽然其本身具有一定的耐老化性能，但是在恶劣的环境下使用时仍然达不到人们所希望的理想效果。

发明内容

本发明要解决现有平流层飞艇蒙皮耐候性差、阻力大、隔热性差的问题，而提供飞艇蒙皮用具有减阻微沟槽结构的PU或TPU薄膜。

本发明飞艇蒙皮用具有减阻微沟槽结构的PU或TPU薄膜包含有设置在表面的“V”型沟槽，所述“V”型沟槽在PU或TPU薄膜表面形成交替通透的沟纹，每个沟纹的宽度s为20～200μm，深度h为20～200μm。

上述飞艇蒙皮用具有减阻微沟槽结构的PU或TPU薄膜的带有微沟槽的表面上还设置有一层防护层，所述防护层为Al层或TiO₂层。

本发明提供了飞艇蒙皮用具有减阻微沟槽结构的PU或TPU薄膜，其微沟槽是通过热压印方法制备的，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力下的流动方向。如果在压印过程施加的压力较大，则模板凸起下的聚合物流入空腔后，由于表面张力的作用，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，弹性回复变化比较小，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。