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基本信息

項(xiàng)目名稱：
仿水黽四足復(fù)合材料水面滑行器
小類：
能源化工
簡介：
本項(xiàng)目研制的仿水黽四足復(fù)合材料水面滑行器有利于具有高負(fù)載力的水面快速推進(jìn)運(yùn)輸裝置的設(shè)計(jì)制造，推動(dòng)相關(guān)產(chǎn)業(yè)的技術(shù)進(jìn)步；本項(xiàng)目研究的復(fù)合材料表面超疏水結(jié)構(gòu)制備技術(shù)能賦予復(fù)合材料表面自清潔、防冰凍、耐腐蝕等特性。項(xiàng)目的主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)：發(fā)展了一種新的制備超疏水表面的方法，首次在復(fù)合材料上制備出了超疏水表面；首次采用復(fù)合材料制備出了具有類似水黽性質(zhì)的超疏水和高負(fù)載力的簡易水面滑行器。
詳細(xì)介紹：
聚合物基復(fù)合材料由于具有重量輕、可設(shè)計(jì)性強(qiáng)、高比強(qiáng)度、高比模量等優(yōu)點(diǎn)而日益引起廣泛的關(guān)注，我校在聚合物基復(fù)合材料研究方面具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)和基礎(chǔ)，以聚合物基復(fù)合材料為基礎(chǔ)制備仿水黽滑行器具有比其它材料（如金屬等）更多的優(yōu)勢(shì)，本項(xiàng)目的研究對(duì)于開發(fā)水面高負(fù)載力、快速推進(jìn)的新型水上交通工具和新型戰(zhàn)斗裝備如軍艦等具有重大的參考和借鑒價(jià)值，同時(shí)，可推動(dòng)聚合物基復(fù)合材料超疏水表面制備技術(shù)在高鐵、汽車、風(fēng)電裝置、建筑物等結(jié)構(gòu)體外表的應(yīng)用，提高其自清潔、抗冰凍及耐腐蝕性等。主要內(nèi)容： 1、超疏水復(fù)合材料板的制備及其性能表征（1）制備納米氧化銅粉體。（2）制備復(fù)合材料板。（3）利用納米噴粉結(jié)合自組裝技術(shù)制備超疏水表面。（4）復(fù)合材料板超疏水性能的表征。 2、仿水黽四足復(fù)合材料水面滑行器的制備及其性能表征（1）設(shè)計(jì)并制備簡易的超疏水復(fù)合材料水面滑行器。（2）滑行器超疏水性能的表征。（3）滑行器結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)。（4）嘗試加載動(dòng)力裝置及放大實(shí)驗(yàn)。重要觀點(diǎn)：（1）通過合適的技術(shù)在聚合物基復(fù)合材料表面構(gòu)建一定微觀結(jié)構(gòu)并修飾低表面能物質(zhì)可以獲得超疏水聚合物基復(fù)合材料。（2）聚合物基復(fù)合材料具有重量輕、比強(qiáng)度高的特點(diǎn)，采用超疏水聚合物基復(fù)合材料制備高負(fù)載力水面滑行器是正確的選擇。（3）仿水黽聚合物基復(fù)合材料水面滑行器在軍工等領(lǐng)域有非常重要的潛在應(yīng)用前景。（4）本項(xiàng)目的研制有助于推動(dòng)和加速高負(fù)載力、快速推進(jìn)的水上交通工具以及戰(zhàn)斗裝備的研究進(jìn)程。創(chuàng)新特色：（1）發(fā)展了一種新的制備超疏水表面的方法，該方法不僅適用于聚合物基復(fù)合材料，對(duì)其它材料如金屬、塑料等也適用。（2）首次在聚合物基復(fù)合材料上制備出了超疏水表面。（3）首次采用聚合物基復(fù)合材料制備出了具有類似水黽性質(zhì)的超疏水和高負(fù)載力的簡易水面滑行器。實(shí)踐意義：（1）制備出的仿水黽聚合物基復(fù)合材料水面滑行器對(duì)于開發(fā)新型具有高負(fù)載力的水面快速推進(jìn)能力的運(yùn)輸裝置或戰(zhàn)斗裝備等具有重要的指導(dǎo)意義和推廣應(yīng)用前景，同時(shí)在水面?zhèn)刹楹铜h(huán)境監(jiān)測(cè)等微型機(jī)器領(lǐng)域也具有重要的推廣應(yīng)用前景。（2）聚合物基復(fù)合材料在日常生產(chǎn)及生活中的應(yīng)用越來越廣泛，聚合基復(fù)合材料的超疏水結(jié)構(gòu)表面制備技術(shù)在復(fù)合材料裝置表面自清潔、防冰凍、耐腐蝕等領(lǐng)域具有十分重要的推廣應(yīng)用前景。社會(huì)影響：（1）本項(xiàng)目研制的仿水黽聚合物基復(fù)合材料水面滑行器具有水面高負(fù)載力及高運(yùn)行速度的特性，有利于具有高負(fù)載力的水面快速推進(jìn)運(yùn)輸裝置的設(shè)計(jì)制造，推動(dòng)相關(guān)產(chǎn)業(yè)的技術(shù)進(jìn)步，為推進(jìn)長沙市新型工業(yè)化進(jìn)程做出貢獻(xiàn)。（2）本項(xiàng)目研究的聚合物基復(fù)合材料表面超疏水結(jié)構(gòu)制備技術(shù)，能賦予復(fù)合材料表面自清潔、防冰凍、耐腐蝕等特性，使得聚合物基復(fù)合材料未來技術(shù)水平大大提升。 （3）上述聚合物基復(fù)合材料表面超疏水結(jié)構(gòu)的制備技術(shù)還可應(yīng)用于高鐵、汽車等金屬結(jié)構(gòu)或復(fù)合材料結(jié)構(gòu)表面，應(yīng)用于風(fēng)電葉片裝置、建筑物結(jié)構(gòu)表面、包裝材料表面等，使得這些表面也具有自清潔、防覆水冰凍、耐腐蝕等特性，從而推動(dòng)新材料產(chǎn)業(yè)的下游，如裝備制造業(yè)、建筑業(yè)等的技術(shù)進(jìn)步。

作品圖片

  • 仿水黽四足復(fù)合材料水面滑行器
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作品專業(yè)信息

設(shè)計(jì)、發(fā)明的目的和基本思路、創(chuàng)新點(diǎn)、技術(shù)關(guān)鍵和主要技術(shù)指標(biāo)

1.作品設(shè)計(jì)的目的（1）設(shè)計(jì)類似水黽腿的超疏水表面微觀結(jié)構(gòu)；（2）研究復(fù)合材料超疏水表面的制備技術(shù)；（3）設(shè)計(jì)并制備出仿水黽超疏水高負(fù)載力復(fù)合材料水面滑行器。 2.基本思路（1）查閱和分析文獻(xiàn)并使用電鏡觀察，對(duì)水黽腿超疏水性及高負(fù)載力的內(nèi)在原因進(jìn)行深入的分析和探討；（2）研究超疏水表面的制備方法與復(fù)合材料成型工藝之間的兼容性；（3）研究復(fù)合材料超疏水表面的制備方法和技術(shù)；（4）表征復(fù)合材料表面超疏水性，優(yōu)化超疏水表面制備工藝；（5）設(shè)計(jì)仿水黽復(fù)合材料水面滑行器構(gòu)型；（6）制備具有超疏水性及高負(fù)載力的仿水黽復(fù)合材料簡易水面滑行器；（7）測(cè)試仿水黽復(fù)合材料簡易水面滑行器的負(fù)載力及運(yùn)動(dòng)特性，結(jié)合測(cè)試結(jié)果對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)；（8）放大實(shí)驗(yàn)。 3.創(chuàng)新點(diǎn)（1）發(fā)展了一種新的制備超疏水表面的方法，首次在復(fù)合材料上制備出了超疏水表面；（2）首次采用復(fù)合材料制備出了具有類似水黽性質(zhì)的超疏水和高負(fù)載力的簡易水面滑行器。 4.技術(shù)關(guān)鍵復(fù)合材料超疏水表面的制備技術(shù)是課題的關(guān)鍵技術(shù)。 5.主要技術(shù)指標(biāo)（1）聚合物基復(fù)合材料水面滑行器與水的接觸角大于150o。（2）聚合物基復(fù)合材料水面滑行器表面水滴滾動(dòng)角小于5o。（3）聚合物基復(fù)合材料水面滑行器腿不會(huì)刺破水面，在水面的負(fù)載力達(dá)到1g/cm2。

科學(xué)性、先進(jìn)性

1.科學(xué)性：（1）自然界水黽能夠?qū)崿F(xiàn)水面高速運(yùn)動(dòng)及高負(fù)載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輕質(zhì)的低表面能物質(zhì)以及合適的微（納）米結(jié)構(gòu)；（2）很多研究者對(duì)于材料表面主要是金屬材料表面的超疏水結(jié)構(gòu)制備技術(shù)進(jìn)行了研究，并取得了顯著成果，對(duì)在聚合物基復(fù)合材料表面制備超疏水結(jié)構(gòu)提供了理論支持；（3）聚合物基復(fù)合材料具有高比強(qiáng)度、高比模量及低密度等特性，通過對(duì)其進(jìn)行超疏水處理并制備出仿水黽聚合物基復(fù)合材料水面滑行器具有科學(xué)性和可行性。 2.先進(jìn)性：本作品可整體成型，工藝簡單且易于控制產(chǎn)品形狀，相比模板法、刻蝕法等更容易產(chǎn)業(yè)化；選擇在聚合物基復(fù)合材料上制備超疏水表面，相比使用金屬材料更有利于提高其負(fù)載力、降低阻力。

獲獎(jiǎng)情況及鑒定結(jié)果

2010年5月，國防科大第九屆“創(chuàng)新杯”學(xué)員課外學(xué)術(shù)科技作品競賽，獲二等獎(jiǎng) 2010年5月，長沙市第七屆“大學(xué)生科技創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽”，獲一等獎(jiǎng)

作品所處階段

實(shí)驗(yàn)室階段

技術(shù)轉(zhuǎn)讓方式

暫無

作品可展示的形式

實(shí)物、產(chǎn)品，模型，圖紙，磁盤，現(xiàn)場演示，圖片，錄像，樣品

使用說明,技術(shù)特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì),適應(yīng)范圍,推廣前景的技術(shù)性說明,市場分析,經(jīng)濟(jì)效益預(yù)測(cè)

作品適用于中性及堿性溶液中，作品應(yīng)在干燥、避光條件下保存。目前已有的水面交通工具如輪船等面臨著負(fù)載力達(dá)到極限的問題，更高負(fù)載力的新型水上交通工具的需求日益迫切，本作品具有比傳統(tǒng)水上交通工具更高的負(fù)載力和運(yùn)行速度，正順應(yīng)了這種需求，因而容易推廣。相對(duì)于其它水上交通工具或滑行器，本作品的重量更輕，比強(qiáng)度更高，更容易被市場接受。本作品工藝簡單，工藝條件易于控制，無需復(fù)雜設(shè)備，成本低廉，產(chǎn)品性能優(yōu)良，適用范圍廣，可應(yīng)用于水面交通運(yùn)輸領(lǐng)域、新材料產(chǎn)業(yè)、裝備制造業(yè)、建筑業(yè)等。由此可見，本作品具有良好的推廣前景。目前我國復(fù)合材料每年產(chǎn)值超過千億，而復(fù)合材料應(yīng)用在輪船、飛行器等方面的應(yīng)用的年產(chǎn)值都超過百億，若本技術(shù)在輪船、飛行器領(lǐng)域得到應(yīng)用，按照產(chǎn)生附加值5%計(jì)算，可以產(chǎn)生超過五億的產(chǎn)值。一旦此技術(shù)得到推廣應(yīng)用，將對(duì)我國復(fù)合材料產(chǎn)業(yè)鏈的發(fā)展將起到重要的推動(dòng)作用，為該領(lǐng)域創(chuàng)造巨大的經(jīng)濟(jì)效益。

同類課題研究水平概述

2004年Gao等在Nature雜志上首次揭開了水黽之所以能在水面上快速穩(wěn)定滑行和跳躍的秘密，他們用掃描電子顯微鏡對(duì)水黽腿進(jìn)行了觀察，發(fā)現(xiàn)水黽的腿表面有許多取向的針狀剛毛，這些剛毛的直徑在3微米到幾百納米之間，與腿的表面以傾斜20o的方向排列，在每個(gè)微米級(jí)的剛毛上還存在著很多復(fù)雜的納米級(jí)溝槽，形成獨(dú)特的分級(jí)結(jié)構(gòu)，空氣被有效地吸附在這些微米剛毛和螺旋狀納米溝槽的縫隙內(nèi)，在其表面形成一層穩(wěn)定的氣膜，阻止了水滴的浸潤，于是水黽的腿就表現(xiàn)出了超疏水特性，其與水的接觸角高達(dá)167.6±4.4°，這使得水黽可以毫不費(fèi)力地站在水面上，快速地移動(dòng)和跳躍，即使在狂風(fēng)暴雨和急速的水流中，也不會(huì)沉沒。 2005年Shi等對(duì)水黽腿表面的微結(jié)構(gòu)進(jìn)行了模擬，他們用金絲作為模型來仿生制備了超疏水的金線，他們首先利用層層自組裝技術(shù)在金絲表面上形成聚電解質(zhì)多層膜，然后用電化學(xué)沉積在其上生長樹枝狀金納米族，再在金納米族上吸附十二烷基硫醇自組裝單層膜，接觸角的測(cè)量表明：金線表面的這種無序的微納米結(jié)構(gòu)薄膜是超疏水的，接觸角約為160°，滾動(dòng)角小于3°，粗糙的微結(jié)構(gòu)增強(qiáng)了金絲表面的疏水性，金絲可以漂浮在水面上；2007年Shi等又通過修飾光滑和粗糙結(jié)構(gòu)的金線獲得了普通疏水和超疏水的金線，研究和比較這兩種金線在水面的負(fù)載力等參數(shù)表明：普通疏水的腿就能使水黽漂浮在水面上，但要使水黽在水面上快速地移動(dòng)和躍，則超疏水表面是必需的。高雪峰等采用一種簡單的氨水溶液浸泡法在銅絲表面制備出納米錐陣列結(jié)構(gòu)，納米錐表面具有類似水黽剛毛的納米溝槽，經(jīng)過氟硅烷分子層修飾后，接觸角達(dá)到161.8°，該超疏水銅絲在水面上最大負(fù)載力達(dá)到118達(dá)因，而用光滑銅絲制作的普通疏水腿在水面上的最大負(fù)載力約為40達(dá)因。 Wu等將銅線浸漬在氫氧化鉀溶液中形成氫氧化銅納米針，用十二烷基硫醇修飾后獲得超疏水性，然后以超疏水銅線模仿水黽腿制作了一個(gè)仿水黽的模型，實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果顯示超疏水銅線制成的仿水黽腿在水面的最大負(fù)載力為83達(dá)因，而用十二烷基硫醇修飾的光滑銅線制作的水黽腿在水上的最大負(fù)載力只有29達(dá)因。上述研究都主要集中在對(duì)水黽腿超疏水性和高負(fù)載力的解釋方面，而且所用的材料都是以金屬材料為主。目前國內(nèi)外還沒有關(guān)于聚合物基復(fù)合材料超疏水或仿水黽聚合物基復(fù)合材料的相關(guān)報(bào)道，而沒有本項(xiàng)目研究的仿水黽聚合物基復(fù)合材料水面滑行的報(bào)道。
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