胡海豹 黃橋高 蔣 雄 宋保維 潘 光

西北工業(yè)大學(xué),西安,710072

0 引言

脊?fàn)畋砻鏈p阻技術(shù)通過(guò)在水下航行器表面模擬鯊魚(yú)、箭魚(yú)等魚(yú)類(lèi)表皮的微觀脊?fàn)罱Y(jié)構(gòu)來(lái)達(dá)到減小摩擦阻力的效果。在該項(xiàng)技術(shù)中,脊?fàn)罱Y(jié)構(gòu)的加工成形方法是該技術(shù)能否進(jìn)入工程應(yīng)用的前提。目前國(guó)內(nèi)外關(guān)于脊?fàn)畋砻娴闹苽浞椒▓?bào)道較少,研究者主要是通過(guò)試驗(yàn)和數(shù)值仿真的途徑來(lái)獲得脊?fàn)罱Y(jié)構(gòu)的形狀、尺寸等因素對(duì)減阻效果的影響規(guī)律,以及探索其減阻機(jī)理[1-2]。

傳統(tǒng)的脊?fàn)畋砻嬷苽浞椒ㄖ饕袡C(jī)械加工法、激光微加工法、輥壓法等。機(jī)械加工法的缺點(diǎn)是成形的脊?fàn)罱Y(jié)構(gòu)較為粗糙,容易形成毛刺、熔滴等缺陷,這會(huì)為減阻試驗(yàn)帶來(lái)負(fù)面的影響甚至增加阻力。激光微加工法的缺點(diǎn)是加工效率低下,激光剝蝕材料的速度極其有限,致使加工周期很長(zhǎng),同時(shí)加工成本也很高,不適用于大面積的脊?fàn)畋砻婕庸?。輥壓法的缺點(diǎn)是容易在板材表面形成加工應(yīng)力,對(duì)硬質(zhì)材料的加工較為困難,加工表面缺陷較多,并且很難在回轉(zhuǎn)體表面進(jìn)行加工。由于現(xiàn)有加工技術(shù)存在的不足,本文提出了采用準(zhǔn)LIGA成形技術(shù)制備脊?fàn)畋砻?并對(duì)制得的試驗(yàn)板進(jìn)行風(fēng)洞減阻試驗(yàn)以驗(yàn)證該加工技術(shù)的可行性。

1 準(zhǔn)LIGA成形技術(shù)制備脊?fàn)畋砻?/h2>

1.1 成形原理

LIGA成形技術(shù)是X光深度光刻工藝、微電鑄工藝和微復(fù)制工藝的集合,被視為微納米制造技術(shù)中最有生命力、最有前途的加工技術(shù)。但是,該技術(shù)強(qiáng)烈依賴(lài)于價(jià)值昂貴而稀缺的同步輻射光源,使其難以實(shí)現(xiàn)真正意義上的普及。為此,以激光刻蝕技術(shù)、深反應(yīng)離子刻蝕技術(shù)、厚膠紫外光刻技術(shù)等取代X射線光刻的深度微加工技術(shù)相繼出現(xiàn),它們與微電鑄和微復(fù)制工藝相結(jié)合,雖然不能完全達(dá)到LIGA成形技術(shù)的總體質(zhì)量水平,但是也能夠?qū)崿F(xiàn)一定程度高寬比的微結(jié)構(gòu),被統(tǒng)稱(chēng)為準(zhǔn)LIGA成形技術(shù)[3-4]。

我們所采用的準(zhǔn)LIGA成形技術(shù),其原理是用紫外線作為曝光光源以代替原有的X光,將感光膠均勻涂敷在樣板表面,通過(guò)紫外光曝光、顯影,得到所要的加工圖案,然后進(jìn)行微電鑄和去膠工藝,最終得到脊?fàn)畋砻?整個(gè)工藝過(guò)程如圖1所示。

1.2 準(zhǔn)LIGA成形技術(shù)制備脊?fàn)畋砻婀に?/h3>

根據(jù)風(fēng)洞試驗(yàn)要求,試驗(yàn)板選用 299mm×399mm的LY12鋁合金平板,受準(zhǔn)LIGA成形技術(shù)制備工藝的設(shè)備條件限制,脊?fàn)罱Y(jié)構(gòu)的有效面積為200mm×300mm(圖2),脊?fàn)罱Y(jié)構(gòu)為矩形,其特征尺寸槽深為h,槽寬為s和槽間距為l。

準(zhǔn)LIGA成形技術(shù)制備脊?fàn)畋砻娴木唧w工藝分為以下4步:

(1)印制感光膠。根據(jù)模型尺寸要求,繪制樣品的加工圖紙并制備菲林底片(用于隨后的曝光)。對(duì)LY12鋁合金板材表面進(jìn)行除油和清洗,在洗凈后的板材上用120～150T的網(wǎng)板印刷感光膠,此工序在暗室中進(jìn)行,以防止感光膠提前曝光而影響后期的效果。感光膠的刷涂厚度可以根據(jù)要求自行控制,一般一次刷涂厚度為30μ m左右。刷涂方式為刮板在網(wǎng)板表面來(lái)回刮涂,感光膠透過(guò)網(wǎng)板的孔滲透到板材表面。隨后放入烘箱,在80℃下烘烤10min,如果所涂的感光膠較厚,應(yīng)適當(dāng)延長(zhǎng)烘烤時(shí)間,確保感光膠干透。取出后檢查感光膠表面質(zhì)量,要求表面平整、無(wú)氣泡、無(wú)異樣的突起或凹陷。

(2)曝光及顯影。在印制好感光膠的板材表面貼上菲林底片,放入真空曝光設(shè)備,設(shè)備內(nèi)的壓力保持在10—3Pa左右,使菲林底片與感光膠面貼緊無(wú)縫隙,以防止空氣滲入而產(chǎn)生散射影響曝光精度。曝光光源采用功率為1000W的鈉燈,產(chǎn)生波長(zhǎng)為300～400μ m的紫外線。曝光時(shí)間根據(jù)感光膠所的曝光參數(shù)及膠層厚度而定(一般為30～90s不等)。待曝光完成后,取出樣品揭下菲林底片。將樣品放入溫度為30～32℃、碳酸納的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%～1.2%溶液,顯影時(shí)間為60～80s。沖洗樣品表面,去除顯影后留下的感光膠,露出需要電鑄加工部位的金屬表面。接著放入120℃的熱循環(huán)風(fēng)烘箱,烘烤20～25min,進(jìn)一步加固感光膠與板材表面的結(jié)合力。

(3)表面活化及微電鑄。將樣品浸入組分為硫酸的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%、鹽酸的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%的混合液中0.5～1.0min,充分活化裸露部分的金屬表面。清水沖洗后將其立即浸入電鑄液,樣品為電極的陰極,溶液為陽(yáng)極,電鑄過(guò)程中不斷攪拌電鑄液。電鑄完成后取出樣品,用清水沖洗表面,去除表面的殘留電鑄液及雜物,其工藝參數(shù)如表1所示。

表1 微電鑄工藝參數(shù)

(4)去膠工藝。將電鑄后的樣品浸入溫度為65℃、氫氧化納的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%的溶液中,浸泡3min左右。取出后先用清水沖洗其表面,去除表面的殘留溶液。然后用海綿蘸取少量丙酮溶液輕輕擦拭樣品表面,去除多余的感光膠,露出脊?fàn)罱Y(jié)構(gòu)。如果仍有部分感光膠無(wú)法去除,可以反復(fù)浸入氫氧化鈉溶液中,并重復(fù)上述操作,直到表面殘留感光膠全部去除為止。

通過(guò)準(zhǔn)LIGA成形技術(shù)制備了2塊矩形脊?fàn)罱Y(jié)構(gòu)試驗(yàn)板,脊?fàn)罱Y(jié)構(gòu)尺寸分別為s=0.33mm、h=0.055mm 、l=0.1mm(圖 3a)和 s=0.80mm 、h=0.145mm 、l=0.2mm(圖 3b)。

1.3 脊?fàn)畋砻嫖⒂^形貌分析

脊?fàn)畋砻鏈p阻效果的好壞與其微觀形貌的質(zhì)量有直接關(guān)系,因此需要對(duì)試件表面的微觀形貌進(jìn)行測(cè)試和分析。

特征尺寸為 s=0.33mm、h=0.055mm、l=0.1mm脊?fàn)畋砻娴恼嫖⒂^形貌如圖4所示。從圖4可以看出,采用準(zhǔn)LIGA成形技術(shù)制備的脊?fàn)罱Y(jié)構(gòu)整齊均勻,整個(gè)表面呈凹凸?fàn)钆帕?凸起部分即為脊?fàn)罱Y(jié)構(gòu)。該技術(shù)的特點(diǎn)是可以不損壞基體而得到脊?fàn)罱Y(jié)構(gòu),實(shí)現(xiàn)較大高寬比的矩形脊?fàn)罱Y(jié)構(gòu)加工,且加工質(zhì)量較好、工藝簡(jiǎn)單、成本低廉、肋條與基體結(jié)合力好、可工業(yè)化大面積生產(chǎn)。另外,該工藝可以在回轉(zhuǎn)體表面加工脊?fàn)罱Y(jié)構(gòu),為脊?fàn)畋砻鏈p阻技術(shù)在水下航行器上的應(yīng)用提供支持。

2 脊?fàn)畋砻鏈p阻特性風(fēng)洞試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)測(cè)試儀器及測(cè)試方法

試驗(yàn)在某小型吸式低速風(fēng)洞中完成,風(fēng)洞的布局及總體尺寸如圖5所示。氣流依次經(jīng)過(guò)進(jìn)口穩(wěn)定段、收斂段、發(fā)展段、試驗(yàn)段、彎道、流量調(diào)節(jié)閥、風(fēng)機(jī),然后由風(fēng)機(jī)出口排出。試驗(yàn)中通過(guò)流量調(diào)節(jié)閥的控制可以在試驗(yàn)段的中心處得到0～15m/s范圍內(nèi)的任意流速。試驗(yàn)選用了美國(guó)TSI公司的恒溫式IFA300智能型熱線風(fēng)速儀對(duì)脊?fàn)畋砻嫱牧鬟吔鐚舆M(jìn)行測(cè)試[5-7]。

試驗(yàn)中熱線風(fēng)速儀的具體安裝關(guān)系如圖6所示,坐標(biāo)架置于風(fēng)洞試驗(yàn)段殼體上方,熱線探針桿頂端固定在坐標(biāo)架上并可隨坐標(biāo)架上下移動(dòng),移動(dòng)精度為0.01mm,熱線探針桿末端通過(guò)風(fēng)洞試驗(yàn)段殼體上方預(yù)留測(cè)試孔伸入試驗(yàn)段內(nèi)。測(cè)量點(diǎn)分布在圖6所示的y方向上,跨度范圍從下壁面到中心,共50mm。風(fēng)洞下壁面的試驗(yàn)板(斜線部分)可調(diào)換。當(dāng)研究光滑平板壁面邊界層時(shí),試驗(yàn)板為光滑平板;當(dāng)研究脊?fàn)畋砻孢吔鐚訒r(shí)試驗(yàn)板更換為脊?fàn)罱Y(jié)構(gòu)平板。試驗(yàn)中,采樣頻率取50kHz,采樣時(shí)間為60s,第一個(gè)測(cè)量點(diǎn)在保證不損壞熱線的前提下盡量靠近壁面,且靠近壁面的地方取點(diǎn)較密集,目的是能夠準(zhǔn)確地獲取脊?fàn)畋砻娼诿娴牧鲃?dòng)信息,采樣點(diǎn)數(shù)超過(guò)30個(gè)。

2.2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

圖7～圖9分別為6m/s風(fēng)速下光滑鋁板和脊?fàn)畋砻嫱牧鬟吔鐚拥臅r(shí)均速度、雷諾正應(yīng)力、湍流度的分布曲線,其中y+、u+為量綱一處理后的壁面法向高度和法向時(shí)均速度。

對(duì)比脊?fàn)畋砻媾c相同條件下光滑鋁板沿法線方向的流動(dòng)參數(shù)分布曲線,可以發(fā)現(xiàn):①脊?fàn)畋砻嫱牧鬟吔鐚拥酿ば缘讓釉龊瘛⒔诿娣ㄏ蛩俣忍荻冉档鸵约斑^(guò)渡層與對(duì)數(shù)律區(qū)上移;②在湍流邊界層的大部分區(qū)域內(nèi),脊?fàn)畋砻娴睦字Z正應(yīng)力明顯小于光滑鋁板;③脊?fàn)畋砻娼趨^(qū)的湍流度比光滑鋁板有明顯降低,在黏性底層內(nèi)尤為明顯;④比較圖7～圖9中不同特征尺寸脊?fàn)畋砻嫱牧鲄?shù)分布曲線,可以初步得出小尺寸的脊?fàn)罱Y(jié)構(gòu)似乎有更好的減阻效果。

深入分析這些差異,我們認(rèn)為脊?fàn)罱Y(jié)構(gòu)的存在抑制了湍流的脈動(dòng),阻礙了湍流猝發(fā)過(guò)程,降低了湍流猝發(fā)的強(qiáng)度,提高了湍流運(yùn)動(dòng)的穩(wěn)定性,最終導(dǎo)致湍流摩擦阻力的降低。

3 結(jié)論

(1)脊?fàn)罱Y(jié)構(gòu)的存在改變了邊界層內(nèi)的流場(chǎng)結(jié)構(gòu),抑制了湍流脈動(dòng),具有較好的減阻效果,但尺寸對(duì)脊?fàn)罱Y(jié)構(gòu)的減阻會(huì)產(chǎn)生一定的影響。

(2)準(zhǔn)LIGA成形技術(shù)制備脊?fàn)畋砻媸强尚械?具有加工精度高、工藝簡(jiǎn)單、成本低廉、脊?fàn)罱Y(jié)構(gòu)與基體結(jié)合力好、可實(shí)現(xiàn)工業(yè)化大面積生產(chǎn)的優(yōu)點(diǎn)。

(3)較小尺寸的脊?fàn)罱Y(jié)構(gòu)具有更好的減阻效果,若想得到更小尺寸的結(jié)構(gòu),可以通過(guò)改良設(shè)備精度和優(yōu)化工藝參數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)。

[1]胡海豹,宋保維,潘光,等.回轉(zhuǎn)體表面條紋溝槽減阻水洞實(shí)驗(yàn)研究[J].力學(xué)季刊,2006,27(2):267-268.

[2]宮武旗.應(yīng)用小波變換以及分形理論對(duì)湍流邊界層壁面脊?fàn)顪p阻機(jī)理的研究[D].西安:西安交通大學(xué),2000.

[3]陳迪,李昌敏,章吉良,等.LIGA成形技術(shù)X光深層光刻工藝研究[J].微細(xì)加工技術(shù),2000,2(1):66-70.

[4]李永海,丁桂甫,毛海平,等.LIGA/準(zhǔn)LIGA成形技術(shù)微電鑄工藝研究進(jìn)展[J].電子工藝技術(shù),2005,26(1):1-6.

[5]劉占一,宋保維,胡海豹,等.脊?fàn)畋砻鏈p阻特性的風(fēng)洞試驗(yàn)研究[J].實(shí)驗(yàn)力學(xué),2008,23(5):469-474.

[6]潘光,黃明明,胡海豹,等.Spalding公式在脊?fàn)畋砻嫱谋谀Σ亮y(cè)量中的應(yīng)用[J].力學(xué)學(xué)報(bào),2009,41(5):15-20.

[7]Kendall A,Koochesfahani M.A Method for Estimating Wall Friction in Turbulent Boundary Layers[C]//Proceedings of 25th Aerodynamic Measurement Technology and Ground Testing Conference.San Francisco,California:the American Institute of Aeronautics and Astronautics,2006:1-6.