一种弯曲毛细波推进器及制备方法和推进系统
阅读说明：本技术 一种弯曲毛细波推进器及制备方法和推进系统 (Bent capillary wave propeller, preparation method and propulsion system ) 是由 姜东岳 田鹏昊 陈贵军 于 2021-09-07 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种弯曲毛细波推进器、一种弯曲毛细波推进器的制备方法以及基于弯曲毛细波推进器的推进系统,弯曲毛细波推进器的结构包括：弯曲基板、导电层、电极、介电层和疏水层；导电层粘连在基板上,电极粘连在导电层上,所述介电层通过磁控溅射方式喷涂到导电层和介电层上上,所述疏水层附着在介电层上。工作状态下,该弯曲毛细波推进器与液体的初始接触角为129°在施加电信号后,该接触角变化为68°。通过改变毛细波推进器基板形状,当毛细波推进器曲率越大时,靠近疏水层的毛细波被束缚在一个更小的空间里,液体所带的同种电荷之间的距离减小,他们之间的库仑力增大,排斥力增大,使得接触角变化更大,因此造成毛细波振幅增大。(The invention discloses a bending capillary wave propeller, a preparation method of the bending capillary wave propeller and a propulsion system based on the bending capillary wave propeller, wherein the bending capillary wave propeller structurally comprises the following components: bending the substrate, the conductive layer, the electrode, the dielectric layer and the hydrophobic layer; the conducting layer is adhered to the substrate, the electrode is adhered to the conducting layer, the dielectric layer is sprayed on the conducting layer and the dielectric layer in a magnetron sputtering mode, and the hydrophobic layer is attached to the dielectric layer. In operation, the initial contact angle of the curved capillary pusher with the liquid is 129 ° and the contact angle changes to 68 ° after application of an electrical signal. By changing the shape of the capillary wave propulsion substrate, when the curvature of the capillary wave propulsion substrate is larger, the capillary waves close to the hydrophobic layer are bound in a smaller space, the distance between like charges carried by the liquid is reduced, the coulomb force between the like charges is increased, the repulsive force is increased, so that the contact angle change is larger, and the amplitude of the capillary waves is increased.)
技术领域
本发明涉及本发明属于机械工程领域，尤其涉及一种弯曲毛细波推进器、一种弯曲毛细波推进器的制备方法以及基于弯曲毛细波推进器的推进系统。
背景技术
随着近年来水生微型机器人在水环境监测和密闭空间探索等方面的需求与日俱增，其应用潜力越来越受到人们的关注，但受限于其复杂的电子设备如电池、控制器、襟翼等协调动作的部件，这种微型机器人并不能真正达到大小和重量的“微型”。需要有一种轻量化、结构简单的驱动方式使得微型机器人能进行隐蔽性操作而不被光学技术或红外仪器检测到。
传统水面推进装置使用电机、叶片等机械结构会极大的增加推进装置的重量和复杂程度，而毛细波推进系统不需要任何机械运动部件。因此以介电润湿效应为基础制成的小型推进装置想对于传统水面推进装置有着不可比拟的优势。其轻量、结构简单的驱动特性可以实现隐蔽操作而不被光学技术或红外仪器探测到，并且可以使用波浪能、风能等驱动摩擦纳米发电机使其自供电进行推进。而现有的直板介电润湿单元所产生的毛细波波幅有限，因此毛细波的波强不高，当其作为推进器时的推进能力有限，使得其应用受到了阻碍。
发明内容
根据现有技术存在的问题，本发明公开了一种弯曲毛细波推进器，包括：弯曲基板、导电层、电极、介电层和疏水层；所述导电层粘连在基板上，所述电极粘连在导电层上，所述介电层通过磁控溅射方式喷涂到导电层和介电层上上，所述疏水层附着在介电层上。
工作状态下，该弯曲毛细波推进器与液体的初始接触角为129°在施加电信号后，该接触角变化为68°。
一种弯曲毛细波推进器的制备方法，包括：
使用3D打印机将ABS材料打印成形状为水平内凹120°的弯曲基板；
将氧化铟锡磁控溅射到聚对苯二甲酸乙二醇酯薄膜上形成导电层，将厚度为0.05mm的导电层贴在弯曲基板上；
使用导电树脂将镍丝粘连在导电层上并加热一定时间后形成电极；
将二氧化硅磁控溅射到具有电极的导电层上表面形成介电层；
将聚四氟乙烯溶液镀到介电层的表面形成疏水层，将具有介电层的弯曲基板浸没在5％的聚四氟乙烯溶液中，使用提拉法将其以1.53mm/min的速度匀速拉出再进行加热处理从而得到弯曲毛细波推进器。
一种基于弯曲毛细波推进器的推进系统，包括：弯曲毛细波推进器、交流电压源、导线、第一电极、无人轻体船和水槽，所述交流电压源包括交流信号发生器和电流放大器，所述弯曲毛细波推进器安装在无人轻体船上、再放入水槽中，所述交流电压源的正极通过导线与弯曲毛细波推进器相连接，所述交流电压源的负极与第一电极相连接插入水槽中、当接通电源后则产生毛细波。
由于采用了上述技术方案，本发明提供的一种弯曲毛细波推进器、一种弯曲毛细波推进器的制备方法以及基于弯曲毛细波推进器的推进系统，在一种弯曲毛细波推进器中，通过改变毛细波推进器基板形状，当毛细波推进器曲率越大时，靠近疏水层的毛细波被束缚在一个更小的空间里，液体所带的同种电荷之间的距离减小，他们之间的库仑力增大，排斥力增大，使得接触角变化更大，毛细波波峰更高，因此造成毛细波振幅增大。使得弯曲结构的毛细波推进器所产生毛细波的波强相对于传统的直板毛细波推进器更大，因此推进能力更强。
另外将本发明的弯曲毛细波推进器应用于介电润湿推进系统中，对无人轻体船进行推进。推进同一无人轻体船时，弯曲毛细波推进器的推进速度相较于传统直板毛细波推进器提高了1倍以上。本发明提高了毛细波推进器的推进能力，使其可以应用于更多场合，拓展了毛细波推进系统的应用领域。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明中弯曲毛细波推进器的结构示意图；
图2为本发明中弯曲毛细波推进器的制备方法流程图；
图3为本发明中基于弯曲毛细波推进器的推进系统的结构示意图；
图中：1-1、弯曲基板，1-2、导电层，1-3、电极，1-4、介电层，1-5、疏水层，1、弯曲毛细波推进器，2、交流电压源，3、导线，4、第一电极，5、无人轻体船，6、水槽，2-1、交流信号发生器，2-2、电流放大器。
具体实施方式
为使本发明的技术方案和优点更加清楚，下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚完整的描述：
如图1所示的一种弯曲毛细波推进器，包括弯曲基板1-1、导电层1-2、电极1-3、介电层1-4和疏水层1-5。其中导电层1-2粘连在基板1-1上，电极1-3粘连在导电层1-2上，介电层1-4材料通过磁控溅射喷涂到导电层1-2和介电层上1-4上，疏水层1-5使用提拉镀膜法后再烘干附着在介电层1-4上。
进一步的，工作状态下，该弯曲毛细波推进器与液体的初始接触角为129°在施加特定电信号后，其接触角会变化为68°。
如图2所示的一种弯曲毛细波推进器的制备方法，包括：
使用3D打印机将ABS材料打印成形状为水平内凹120°的弯曲基板1-1；
将氧化铟锡磁控溅射到聚对苯二甲酸乙二醇酯薄膜上形成导电层1-2，将厚度为0.05mm的导电层1-2贴在弯曲基板1-1上；
使用导电树脂将镍丝粘连在导电层1-2上并加热一定时间后形成电极1-3；
将二氧化硅磁控溅射到具有电极1-3的导电层1-2上表面形成介电层1-4；
将聚四氟乙烯溶液镀到介电层1-4的表面形成疏水层1-5，将具有介电层1-4的弯曲基板1-1浸没在5％的聚四氟乙烯溶液中，使用提拉法将其以1.53mm/min的速度匀速拉出再进行加热处理从而得到弯曲毛细波推进器。
如图3所示的一种基于弯曲毛细波推进器的推进系统，包括弯曲毛细波推进器1、交流电压源2、导线3、第一电极4、无人轻体船5和水槽6，交流电压源2包括交流信号发生器2-1和电流放大器2-2，所述弯曲毛细波推进器1安装在无人轻体船5上、再放入水槽6中，交流电压源2的正极通过导线3与弯曲毛细波推进器1相连接，交流电压源2的负极与第一电极4相连接插入水槽6中、当接通电源后则产生毛细波。
为防止分压，将多个弯曲毛细波推进器1之间并联，然后再通过导线3与交流电压源的正极相联。正极应采用直径不大于0.05mm的导线以保证导线自身的刚性不会影响无人轻体船的运动。负极连接第一电极4插入水槽6中，负极应采用直径不小于0.3mm的导线，以保证导线插入水中后不会随液面起伏而变化位置。当接通电源后会在弯曲毛细波推进器的三相接触面处产生毛细波。
实施例1
一种弯曲毛细波推进器的制备方法，包括如下步骤：使用3D打印机打印曲率为120°的弯曲基板1-1，材料采用ABS，ABS的变形温度高于后续步骤中的烘烤温度，可以保证基板在烘烤过程中不变形。将0.05mm厚的表面为氧化铟锡的导电薄膜黏附于上述弯曲基板1-1上，在其上端使用导电树脂将镍丝固定在导电薄膜上，放入烘箱在70℃下烘烤60分钟。待导电树脂凝固后将二氧化硅磁控溅射到导电树脂和电极1-3上，作为弯曲毛细波推进器的介电层1-4，防止通电后单元被击穿。使用聚四氟乙烯溶液作为弯曲毛细波推进器的疏水层1-5，将上述材料浸没在5％的聚四氟乙烯溶液中，使用提拉法将其以1.53mm/min的速度匀速拉出。最终放入烘箱，在70℃下烘烤180分钟，得到制成的弯曲毛细波推进器。将所制弯曲毛细波推进器放入水槽中，向水槽中加入去离子水。连接交流电压源并使用400V的方波信号，对比了低频2Hz和高频20Hz下120°弯曲毛细波推进器产生毛细波的波幅。2Hz条件下最高波幅为2.8mm，20Hz下最高波幅为0.8mm，该形状的毛细波推进器对毛细波波幅的提升有所帮助。
实施例2
根据实施例1的操作步骤制备出弯曲120°的毛细波推进器，将此弯曲毛细波推进器加入到推进系统中作为水面推进器。
轻体无人船和水生微型机器人对自身重量要求极高，传统推进装置使用电机、叶片等机械结构会极大的增加推进装置的重量和复杂程度，从而增大装置的体积和限制其应用场景。相比于现有的小型推进装置，基于介电润湿效应的毛细波推进系统不依赖机械运动实现推进。当在回路两端施加交流电时会引起毛细波推进器表面液体接触角的振荡，接触角的改变导致三相接触线的位移，从而引起与弯曲毛细波推进器表面接触的液体振荡，这种振荡会在导电液体表面上产生毛细波。因此将毛细波推进器附着在漂浮物体侧面就可以将电能转化为动能实现对水面物体的推进。
进一步的，图3示出了弯曲毛细波推进器对小船推进的示意图，使用3个弯曲角度120°的毛细波推进器对一重量为3.54g的无人轻体船进行推进，电信号参数采用400V，20Hz的方波信号。120°弯曲毛细波推进器由于引发了更大振幅的毛细波而有着更大的推进速度的结论得以验证，其推进速度达到2.38cm/s。
综上所述，通过本发明制备的弯曲毛细波推进器相比于直板毛细波推进器其表面液体初始接触角更大，接通电源后所产生毛细波波幅更大。当应用于毛细波推进系统后，由于其产生毛细波波幅更大，因此推进能力更强，在推进相同重量的无人轻体船时较其它形状的毛细波推进器船速更快。本发明提高了毛细波系统的推进能力，拓展了毛细波推进系统的应用范围，在水面推进器领域具有实际意义。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
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