一种仿Laval喷嘴结构的导流板功能表面及其制作方法转让专利
申请号 : CN202010640271.9
文献号 : CN111776252B
文献日 : 2021-10-01
发明人 : 李芊芊 , 胡艺文 , 刘艾灵 , 胡琳 , 戴庆文
申请人 : 南京航空航天大学
摘要 :
本发明公开了一种仿Laval喷嘴结构的导流板功能表面及其制作方法，导流板的表面为超亲水表面，且导流板的表面上均匀设有若干导向阵列；导向阵列包含若干表面为超疏水表面的结构单元，且导向阵列呈Laval喷嘴横截面状、在所述导流板的导流方向上先由窄逐渐变宽再由宽逐渐变窄。本发明具有引导、定位特性，能够强化表面张力流动过程，综合提升了表面张力储箱的推进剂供给效率。
权利要求 :
1.一种仿Laval喷嘴结构的导流板功能表面的制作方法，仿Laval喷嘴结构的导流板功能表面包含导流板的表面以及若干均匀设置在导流板表面上的导向阵列；
所述导流板的表面为超亲水表面；
所述导向阵列包含若干均匀设置的、表面为超疏水表面的结构单元；
垂直于导流板导流方向上的相邻导向阵列之间的导流板表面呈Laval喷嘴横截面状、其在所述导流板的导流方向上先由宽逐渐变窄再由窄逐渐变宽；
所述导向阵列中，垂直于导流板导流方向上的相邻结构单元之间的导流板表面呈Laval喷嘴横截面状、其在所述导流板的导流方向上先由宽逐渐变窄再由窄逐渐变宽；
其特征在于，所述仿Laval喷嘴结构的导流板功能表面的制作方法包含以下步骤：步骤1），前处理：将TC4导流板打磨、抛光至粗糙度Ra小于预设的粗糙度阈值，先后采用丙酮、酒精各进行超声清洗，以去除表面杂质，使得TC4导流板的表面成为超亲水表面；
步骤2），对TC4导流板表面进行掩模加工：步骤2.1），采用两级转速‑旋涂法将光刻胶涂覆于TC4导流板表面；
步骤2.2），将刻有各个导向阵列形状的掩模板紧贴于带有光刻胶膜的TC4导流板上，利用紫外曝光机进行曝光，随后对导流板进行显影和清洗处理，最后，将试样放置于烘箱中加热预设的时间阈值；
步骤3），微细电镀，利用电流在导流板表面上未被光刻胶覆盖的金属部分上镀层：将带有光刻胶掩模的TC4导流板与电源阴极连接、电解镍板与电源阳极连接，接通电源，使得阳极发生电化学反应，在没有光刻胶覆盖的金属部分上镀上镀层，进而使得导流板的表面上形成各个导向阵列；
步骤4），功能涂层涂覆，配置氟硅烷水溶液，将TC4导流板浸入配置的溶液中，使得低表面能氟硅烷涂覆到电镀后的微结构上，然后烘干、固化，使得镀层结构表面成为超疏水表面；
步骤5），去除TC4导流板表面的光刻胶。
2.根据权利要求1所述的仿Laval喷嘴结构的导流板功能表面的制作方法，其特征在于，所述步骤2.1）中采用两级转速‑旋涂法将光刻胶涂覆于TC4导流板表面的具体参数如下：
一级转速800rpm，时间20s，二级转速2000rpm，时间40s，获得厚度约为10μm的光刻胶膜，并置于90℃环境下烘干20min。
3.根据权利要求1所述的仿Laval喷嘴结构的导流板功能表面的制作方法，其特征在于，所述步骤1）中预设的粗糙度阈值为0.4μm。
4.根据权利要求1所述的仿Laval喷嘴结构的导流板功能表面的制作方法，其特征在于，所述步骤2.2）中预设的时间阈值为30min。
5.根据权利要求1所述的仿Laval喷嘴结构的导流板功能表面的制作方法，其特征在于，所述步骤3）中电解镍板的纯度为99.8%，阴、阳极面积比约为1:2，极间距为30mm。
6.根据权利要求1所述的仿Laval喷嘴结构的导流板功能表面的制作方法，其特征在于，所述步骤3）中进行微细电镀时采用Array 3645A恒压恒流电源和85‑2恒温磁力搅拌器，
2 2
PH值为4±0.2，温度为45℃，电流密度为0.5 A/dm到1.25 A/dm，时间为2小时。
说明书 :
一种仿Laval喷嘴结构的导流板功能表面及其制作方法
技术领域
[0001] 本发明涉及板式表面张力贮箱推进剂管理领域，尤其涉及一种仿Laval喷嘴结构的导流板功能表面及其制作方法。
背景技术
[0002] 航天器贮箱是存储和管理推进剂的重要装置,要求能在整个任务周期内有效提供推进剂，贮箱内推进剂的存贮、传输及定位特性对航天器在轨机动能力和服役寿命起着决
定性作用。板式表面张力贮箱是一种典型的贮箱结构，其关键部件是推进剂管理装置
（Propellant Management Device, PMD）。通常，PMD主要由导流板、中心支撑柱和蓄液器等
组件构成，具有管理方式简单、可靠性高、寿命长等优点，被广泛应用于国外多个型号任务
中。
定性作用。板式表面张力贮箱是一种典型的贮箱结构，其关键部件是推进剂管理装置
（Propellant Management Device, PMD）。通常，PMD主要由导流板、中心支撑柱和蓄液器等
组件构成，具有管理方式简单、可靠性高、寿命长等优点，被广泛应用于国外多个型号任务
中。
[0003] 从推进原理上看，板式表面张力贮箱是以导流板为流动路径、以液体表面张力为驱动力来实现推进剂的自动供给，金属导流板是其核心部分。传统表面张力板式贮箱并未
对金属导流板表面做任何处理，在空间失重的情况下，当卫星受外界扰动（振动、冲击、速度
波动等）时，贮箱中推进剂流动过程将变得异常复杂，其供给得不到有效保证，轻者降低推
进效率，重者导致航天器动力失效，丧失服役能力，正是对表面功能开发的匮乏制约了板式
表面张力的发展。此外，现有板式表面张力贮箱中，导流板与箱体连接处易积水。
对金属导流板表面做任何处理，在空间失重的情况下，当卫星受外界扰动（振动、冲击、速度
波动等）时，贮箱中推进剂流动过程将变得异常复杂，其供给得不到有效保证，轻者降低推
进效率，重者导致航天器动力失效，丧失服役能力，正是对表面功能开发的匮乏制约了板式
表面张力的发展。此外，现有板式表面张力贮箱中，导流板与箱体连接处易积水。
发明内容
[0004] 本发明所要解决的技术问题是针对背景技术中所涉及到的缺陷，提供一种仿Laval喷嘴结构的导流板功能表面及其制作方法。
[0005] 本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：
[0006] 一种仿Laval喷嘴结构的导流板功能表面，包含导流板的表面以及若干均匀设置的在导流板表面上导向阵列；
[0007] 所述导流板的表面为超亲水表面；
[0008] 所述导向阵列包含若干均匀设置中的、表面为超疏水表面的结构单元；
[0009] 垂直于导流板导流方向上的相邻导向阵列之间的导流板表面呈Laval喷嘴横截面状、其在所述导流板的导流方向上先由宽逐渐变窄再由窄逐渐变宽。
[0010] 作为本发明一种仿Laval喷嘴结构的导流板功能表面进一步的优化方法，所述导向阵列中，垂直于导流板导流方向上的相邻结构单元之间的导流板表面呈Laval喷嘴横截
面状、其在所述导流板的导流方向上先由宽逐渐变窄再由窄逐渐变宽。
面状、其在所述导流板的导流方向上先由宽逐渐变窄再由窄逐渐变宽。
[0011] 本发明还公开了一种该仿Laval喷嘴结构的导流板功能表面的制作方法，包含以下步骤：
[0012] 步骤1），前处理：将TC4导流板打磨、抛光至粗糙度Ra小于预设的粗糙度阈值，先后采用丙酮、酒精各进行超声清洗，以去除表面杂质，使得TC4导流板的表面成为超亲水表面；
[0013] 步骤2），对TC4导流板表面进行掩模加工：
[0014] 步骤2.1），采用两级转速‑旋涂法将光刻胶涂覆于TC4导流板表面；
[0015] 步骤2.2），将刻有各个导向阵列形状的掩模板紧贴于带有光刻胶膜的TC4导流板上，利用紫外曝光机进行曝光，随后对导流板进行显影和清洗处理，最后，将试样放置于烘
箱中加热预设的时间阈值；
箱中加热预设的时间阈值；
[0016] 步骤3），微细电镀，利用电流在导流板表面上未被光刻胶覆盖的金属部分上镀层：
[0017] 将带有光刻胶掩模的TC4导流板与电源阴极连接、电解镍板与电源阳极连接，接通电源，使得阳极发生电化学反应，在没有光刻胶覆盖的金属部分上镀上镀层，进而使得导流
板的表面上形成各个导向阵列；
板的表面上形成各个导向阵列；
[0018] 步骤4），功能涂层涂覆，配置氟硅烷水溶液，将TC4导流板浸入配置的溶液中，使得低表面能氟硅烷涂覆到电镀后的微结构上，然后烘干、固化，使得镀层结构表面成为超疏水
表面；
表面；
[0019] 步骤5），去除TC4导流板表面的光刻胶。
[0020] 作为本发明一种仿Laval喷嘴结构的导流板功能表面的制作方法进一步的优化方案，所述步骤2.1）中采用两级转速‑旋涂法将光刻胶涂覆于TC4导流板表面的具体参数如
下：
下：
[0021] 一级转速800rpm，时间20s，二级转速2000rpm，时间40s，获得厚度约为10μm的光刻胶膜，并置于90℃环境下烘干20min。
[0022] 作为本发明一种仿Laval喷嘴结构的导流板功能表面的制作方法进一步的优化方案，所述步骤1）中预设的粗糙度阈值为0.4μm。
[0023] 作为本发明一种仿Laval喷嘴结构的导流板功能表面的制作方法进一步的优化方案，所述步骤2.2）中预设的时间阈值为30min。
[0024] 作为本发明一种仿Laval喷嘴结构的导流板功能表面的制作方法进一步的优化方案，所述步骤3）中电解镍板的纯度为99.8%，阴、阳极面积比约为1:2，极间距为30mm。
[0025] 作为本发明一种仿Laval喷嘴结构的导流板功能表面的制作方法进一步的优化方案，所述步骤3）中进行微细电镀时采用Array 3645A恒压恒流电源和85‑2恒温磁力搅拌器，
2 2
PH值为4±0.2，温度为45℃，电流密度为0.5 A/dm到1.25 A/dm，时间为2小时。
2 2
PH值为4±0.2，温度为45℃，电流密度为0.5 A/dm到1.25 A/dm，时间为2小时。
[0026] 本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：
[0027] 与现有技术相比，本发明显著地提高了贮箱的导流性能，显著地提高了导流板的工作效力，并且轻松解决了导流板与箱体连接处易积水的问题，满足了纳米、微微和毫微微
米级航天器的推进需求以及低电气等要求，且因本结构是在原有导流板的基础上进行优
化，有效的控制了优化过程中新增体积、结构等问题。本发明利用导流板功能表面的阵列结
构外加涂层能够有效优化推进剂贮箱的推进剂管理能力，提高贮箱排放效率，提升推进系
统的推进剂利用率，为新一代板式表面张力贮箱的设计提供技术支持。
米级航天器的推进需求以及低电气等要求，且因本结构是在原有导流板的基础上进行优
化，有效的控制了优化过程中新增体积、结构等问题。本发明利用导流板功能表面的阵列结
构外加涂层能够有效优化推进剂贮箱的推进剂管理能力，提高贮箱排放效率，提升推进系
统的推进剂利用率，为新一代板式表面张力贮箱的设计提供技术支持。
附图说明
[0028] 图1为贮箱的剖面示意图；
[0029] 图2为导流板的分布示意图；
[0030] 图3为导向阵列的结构示意图；
[0031] 图4为导流板表面上导向阵列的结构示意图。
[0032] 图中，1‑气口，2‑导流板，3‑下半部箱体，4‑导流板的功能表面，5‑液口，6‑上半部箱体。
具体实施方式
[0033] 下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明：
[0034] 本发明可以以许多不同的形式实现，而不应当认为限于这里所述的实施例。相反，提供这些实施例以便使本公开透彻且完整，并且将向本领域技术人员充分表达本发明的范
围。在附图中，为了清楚起见放大了组件。
围。在附图中，为了清楚起见放大了组件。
[0035] 本发明公开了一种仿Laval喷嘴结构的导流板功能表面，包含导流板的表面以及若干均匀设置的在导流板表面上导向阵列；
[0036] 所述导流板的表面为超亲水表面；
[0037] 所述导向阵列包含若干均匀设置中的、表面为超疏水表面的结构单元；
[0038] 垂直于导流板导流方向上的相邻导向阵列之间的导流板表面呈Laval喷嘴横截面状、其在所述导流板的导流方向上先由宽逐渐变窄再由窄逐渐变宽。
[0039] 所述导向阵列中，垂直于导流板导流方向上的相邻结构单元之间的导流板表面呈Laval喷嘴横截面状、其在所述导流板的导流方向上先由宽逐渐变窄再由窄逐渐变宽。
[0040] 本发明用导流板功能表面的导向阵列外加涂层实现推进剂的自动供给；导流板表面的导向阵列是通过微/纳尺度表面实现液体的定向引导功能；导流板表面亲水，外加电镀
层使得阵列结构疏水；在空间环境下贮箱中的推进剂在表面张力作用下，能够沿着所述导
流板表面的导向阵列自发流动。
层使得阵列结构疏水；在空间环境下贮箱中的推进剂在表面张力作用下，能够沿着所述导
流板表面的导向阵列自发流动。
[0041] 如图1所示，贮箱由气口、导流板、下半部箱体、功能表面、液口、上半部箱体组成，气口与上半部箱体、液口与下半部箱体、下半部箱体与上半部箱体之间均采取用氩弧焊焊
接，下半部箱体与上半部箱体采用圆弧过渡结构，其厚度为10mm，在导流板表面上刻制功能
表面，五片导流板一侧与上部箱体内壁焊接。
接，下半部箱体与上半部箱体采用圆弧过渡结构，其厚度为10mm，在导流板表面上刻制功能
表面，五片导流板一侧与上部箱体内壁焊接。
[0042] 本发明的导流板的分布如图2所示，五个导流板均匀分布，其相邻两个导流板之间夹角为72°。
[0043] 本发明导流板材料选用TC4，取光刻微细电解技术，在导流板表面上刻制功能表面，功能表面上的导向阵列如图3所示。
[0044] 功能表面涂层为亲‑疏水结构，结合导向阵列的微结构几何形态、特征尺寸，如图4，利用表面张力和疏水性的微尺度效应，且利用在太空中轻微的扰动能够驱动液体快速爬
移的性质，来提供推进所需应力。
移的性质，来提供推进所需应力。
[0045] 图3为导流板功能表面上导向阵列的一种排布形式示意图。导向阵列外形类似于Laval喷嘴横截面，其结构单元为超亲水极端浸润界面，结构单元之间的导流板表面为超疏
水极端浸润界面的电镀层。电镀单元的底边长度范围：20 100 um，40 100 um，高10um，功能
~ ~
表面上导向阵列的面积率为50 80%。
~
水极端浸润界面的电镀层。电镀单元的底边长度范围：20 100 um，40 100 um，高10um，功能
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表面上导向阵列的面积率为50 80%。
~
[0046] 本发明还公开了一种该仿Laval喷嘴结构的导流板功能表面的制作方法，包含以下步骤：
[0047] 步骤1），前处理。将TC4导流板打磨、抛光至粗糙度Ra小于0.4μm，先后采用丙酮、酒精各进行10min超声清洗，以去除表面杂质，使得TC4导流板的表面成为超亲水表面。
[0048] 步骤2），光刻（涂胶、曝光、显影）。采用BN308‑450紫外负型光刻胶及相关配套试剂，进行TC4导流板表面掩模加工。大致分为两步：
[0049] 步骤2.1），涂胶：采用两级转速‑旋涂法将光刻胶涂覆于TC4导流板表面。具体参数如下：一级转速800rpm，时间20s，二级转速2000rpm，时间40s，获得厚度约为10μm的光刻胶
膜，并置于90℃环境下烘干20min。
膜，并置于90℃环境下烘干20min。
[0050] 步骤2.2），曝光：将刻有各个导向阵列形状的掩模板紧贴于带有光刻胶膜的TC4导流板上，利用紫外曝光机进行曝光25 40s，随后对导流板进行显影（2min）和清洗处理
~
（1min）。最后，将试样放置于120℃的烘箱中加热30min。
~
（1min）。最后，将试样放置于120℃的烘箱中加热30min。
[0051] 步骤3），微细电镀，利用电流在导流板表面上未被光刻胶覆盖的金属部分上镀层：
[0052] 将带有光刻胶掩模的TC4导流板与电源阴极连接，纯度为99.8%的电解镍板与电源阳极连接，阴、阳极面积比约为1:2，极间距为30mm。电源接通时，阳极发生电化学反应，在没
有光刻胶覆盖的金属部分上镀上镀层，使得导流板的表面上形成各个导向阵列步骤4），功
能涂层涂覆，配置氟硅烷水溶液，氟硅烷质量分数为0.5 wt.%，将上述步骤3）制备的TC4导
流板浸入配置的溶液中，从而将低表面能氟硅烷涂覆到电镀后的微结构上，然后90℃环境
下烘干、固化，使得镀层结构表面成为超疏水极端浸润界面；
有光刻胶覆盖的金属部分上镀上镀层，使得导流板的表面上形成各个导向阵列步骤4），功
能涂层涂覆，配置氟硅烷水溶液，氟硅烷质量分数为0.5 wt.%，将上述步骤3）制备的TC4导
流板浸入配置的溶液中，从而将低表面能氟硅烷涂覆到电镀后的微结构上，然后90℃环境
下烘干、固化，使得镀层结构表面成为超疏水极端浸润界面；
[0053] 进行微细电镀时采用Array 3645A恒压恒流电源和85‑2恒温磁力搅拌器，PH值为42 2
±0.2，温度为45℃，电流密度为0.5 A/dm到1.25 A/dm，时间为2小时；
±0.2，温度为45℃，电流密度为0.5 A/dm到1.25 A/dm，时间为2小时；
[0054] 步骤5），去除TC4导流板表面的光刻胶。
[0055] 本发明在TC4钛合金材料的导流板表面制备了通过小角度倾斜式样模拟微重力试验，试验发现，液滴能够在1s内快速流动近50mm，表明该表面具备非常优异的引流特性。
[0056] 为了验证制造的工艺性能稳定性，需要在模拟微重力下进行较多次液滴在功能表面快速流动的实验，具有自驱流动型功能表面的导流板或类似结构在地面1g环境下对介质
水的提升高度应可达到10mm左右。
水的提升高度应可达到10mm左右。
[0057] 本发明所提供的设计概念，是将自驱功能表面改进，对导流板进行表面改性，构建了智能推进的理念。其中，通过特殊的微结构几何形态、特征尺寸优化了导流板的自驱流动
特性，获得自驱流动能力可控的功能表面，优化了现有的板式表面张力贮箱设计。
特性，获得自驱流动能力可控的功能表面，优化了现有的板式表面张力贮箱设计。
[0058] 采用此种结构之后，相对于国内外现有的板式表面张力贮箱设计，显著地提高了贮箱的导流性能，显著地提高了导流板的工作效力，并且轻松解决了导流板与箱体连接处
易积水的问题，满足了纳米、微微和毫微微米级航天器的推进需求以及低电气等要求，且因
本结构是在原有导流板的基础上进行优化，有效的控制了优化过程中新增体积、结构等问
题。
易积水的问题，满足了纳米、微微和毫微微米级航天器的推进需求以及低电气等要求，且因
本结构是在原有导流板的基础上进行优化，有效的控制了优化过程中新增体积、结构等问
题。
[0059] 本技术领域技术人员可以理解的是，除非另外定义，这里使用的所有术语（包括技术术语和科学术语）具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还
应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中
的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。
应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中
的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。
[0060] 以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限制本发
明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明
的保护范围之内。
明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明
的保护范围之内。