[发明专利]飞艇蒙皮用TPU薄膜减阻微沟槽的热压印制备方法

说明书

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。因此，研究蒙皮材料表面微沟槽的制备工艺至关重要。

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，利用软刻工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模，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力大的问题，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90～110μm，深度h为90～110μm；

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5～10min，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℃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℃、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。

本发明薄膜材料的热压印机理分析如下：