采用大氣壓冷弧等離子體射流在防腐涂料表面制備了超疏水涂層。利用接觸角儀對涂層的疏水性能進(jìn)行了檢測，并利用掃描電鏡、能量色散譜對涂層表面形貌和化學(xué)成分進(jìn)行了表征，采用差壓流阻測試儀研究了等離子處理前后試樣表面的減阻效果。結(jié)果表明，經(jīng)等離子體射流處理后的涂層表面水接觸角大于160°，滾動角小于5°，且該超疏水涂層在大氣中具有良好的穩(wěn)定性。流阻測試實(shí)驗(yàn)證明等離子射流處理后的試樣表面減阻率最大可達(dá)16.5%。涂層具有微米和納米凸起的二元復(fù)合結(jié)構(gòu)，大幅度降低了涂層的表面能，二元結(jié)構(gòu)中形成的空氣層，將固體與液體之間的摩擦轉(zhuǎn)化為氣體與液體之間的摩擦，有效降低了水在超疏水涂層表面的運(yùn)動阻力。

　　近年來，超疏水表面由于具有非潤濕性和自清潔特性而受到人們的廣泛關(guān)注，其在衛(wèi)星天線、新型燃料電池的開發(fā)、金屬表面的防腐蝕，以及生物醫(yī)學(xué)中人造血管等領(lǐng)域都具有非常高的應(yīng)用價值。超疏水表面一般是指基底材料對水的靜態(tài)接觸角大于150°的表面。此外，在實(shí)際應(yīng)用中，水滴在疏水表面的動態(tài)滾動角也逐漸被人們視為超疏水的重要表征之一，滾動角表示水滴在固體表面自由滾落的難易程度，滾動角越小，疏水性愈強(qiáng)，水滴在超疏水表面的接觸阻力非常小，能夠近似自由的滾動。

　　水下航行器在運(yùn)行時，會受到三種阻力，興波阻力、差壓阻力和摩擦阻力，其中摩擦阻力約占到全部阻力的70% ～80%，減小摩擦阻力對于提高航行速度和節(jié)約能量有重要的實(shí)用價值。超疏水涂層具有獨(dú)特的憎水性使其成為一種新型的減阻村料。目前對于超疏水涂層的減阻機(jī)理普遍采用Navier 提出的壁面滑移理論，該理論認(rèn)為流體與具有疏水性能的固體表面接觸時有一定的滑移速度，滑移壁面的存在使近壁區(qū)邊界面上的速度梯度減小，降低了流體在壁面之間的剪切力，從而降低了摩擦阻力。Elias在鋁板表面噴涂超疏水涂層后進(jìn)行減阻測試，發(fā)現(xiàn)具有高接觸角和低滾動角的超疏水表面的減阻率可達(dá)30%，Martell通過一系列模擬得出在固體表面上制備超疏水涂層后，其在湍流情況下表面減阻可達(dá)到50%，李剛等在Si 表面制備超疏水涂層后進(jìn)行了疏水性與流動減阻特性的研究，結(jié)果表明接觸角愈大疏水性愈強(qiáng)，減阻效果愈明顯。以上研究為超疏水涂層在減阻方面的應(yīng)用提供了新的思路。

　　大氣壓等離子體射流能夠在常壓條件下實(shí)現(xiàn)材料表面改性和沉積薄膜，與其他制備方法相比，大氣壓等離子體具有運(yùn)行成本低、設(shè)備簡單、操作方便，為更廣闊范圍的推廣應(yīng)用提供了可能。本文采用大氣壓冷弧等離子體射流在防腐涂料表面上沉積超疏水涂層，通過水接觸角測試、掃描電鏡(SEM) 、X 射線能量色散譜(EDX) 等分析方法研究了超疏水涂層的表面潤濕性、物理形貌及化學(xué)成分的變化，并利用差壓流阻測試裝置對比了等離子沉積超疏水涂層前后的減阻效果，分析了其減阻機(jī)理。

　　1、實(shí)驗(yàn)方法

　　1.1、涂層制備

　　大氣壓冷弧等離子體射流沉積系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計如圖1 所示。以Ar 氣為載氣體，六甲基二硅氧烷(HMDSO) 為反應(yīng)單體，試樣置于等離子體噴槍下，在大氣環(huán)境中沉積超疏水涂層。將等離子槍與運(yùn)動控制體系相連，可實(shí)現(xiàn)大面積均勻噴涂。噴槍豎直向下，通過調(diào)整噴槍的高度調(diào)節(jié)噴嘴到基底的距離。等離子體在內(nèi)、外電極之間的區(qū)域產(chǎn)生，并經(jīng)壓縮空氣吹出，射流火焰長度約為15 mm，直徑約為10mm。沉積薄膜時，一定流量的Ar 作為載氣通入反應(yīng)單體HMDSO，將混有反應(yīng)單體的氣體帶入等離子體反應(yīng)中心進(jìn)行活性反應(yīng)，最后沉積于試樣表面形成超疏水涂層，實(shí)驗(yàn)中的試樣采用帶有環(huán)氧底漆的鋁合金，以符合實(shí)際使用中對基底的防腐保護(hù)。

圖1 大氣壓等離子體射流沉積系統(tǒng)原理簡圖

　　1.2、性能特征與表征

　　1.2.1、接觸角測試

　　實(shí)驗(yàn)在型號為KRUSS-DSACOO 的接觸角測試儀上進(jìn)行。室溫下，采用靜態(tài)液滴法，水滴均為6μL，分別測取樣品表面上5 個點(diǎn)的接觸角，記錄數(shù)據(jù)求平均值，此值即為靜態(tài)接觸角。另外取15 μl的水滴置于水平樣品表面上，慢慢傾轉(zhuǎn)樣品臺，待水滴開始滾動時，記錄樣品臺與水平面之間的夾角，此值即為滾動角，同上測量五點(diǎn)取平均值。

　　1.2.2、SEM及EDX分析

　　采用德國zeissULTRA55 型SEM，觀察大氣壓等離子體沉積超疏水涂層的表觀形貌，加速電壓為8kV，并用EDX儀對涂層的化學(xué)元素進(jìn)行分析。

　　1.2.3、涂層減阻測試

　　減阻測試采用差壓流阻測試裝置，其結(jié)構(gòu)在專利中有具體說明，試樣置于流道下托盤內(nèi)，保持試樣表面與水流方向平行，使水流能均勻通過試樣表面，確保數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性。通過測量水流流經(jīng)試樣表面前后的差壓計算出試樣表面的剪切力，比較環(huán)氧底漆表面和超疏水涂層表面兩者剪切力數(shù)值，即可得出超疏水涂層的減阻效果。

　　3、結(jié)論

　　(1) 以HMDSO為反應(yīng)單體，采用大氣壓等離子體射流制備了超疏水涂層，制備過程中Ar氣流量是影響涂層潤濕性關(guān)鍵參數(shù)，相同條件下，氣流量達(dá)到2 L/min 后接觸角達(dá)到150°以上，處于超疏水狀態(tài)。

　　(2) SEM 測試表明大氣壓冷弧等離子體射流沉積涂層表面呈微-納復(fù)合結(jié)構(gòu)，結(jié)合EDX分析，表面的超疏水現(xiàn)象是由這種二階粗糙結(jié)構(gòu)及低表面能物質(zhì)SiOx共同構(gòu)成的，因而具備高的接觸角和低的滾動角。

　　(3) 將大氣壓冷弧等離子體射流沉積的涂層置于大氣中，隨著時間的延長，接觸角與滾動角只略有變化，表明利用這種方法制備出的超疏水涂層具有長期的穩(wěn)定性。

　　(4) 在本實(shí)驗(yàn)條件下，利用流道式差壓測試設(shè)備對超疏水涂層進(jìn)行減阻測試，能起到明顯的減阻效果，最大減阻可達(dá)16.49%。