一种快响应双组分压力敏感涂料及其制备方法和应用技术

本发明专利技术涉及一种快响应双组分压力敏感涂料及其制备方法和应用，通过调节压力敏感组分及参考组分的温度敏感性，实现测量中温度误差及模型运动误差的同步消除。通过将双组分荧光分子附着于空心二氧化硅微球表面，实现涂层内部氧气的快速扩散及涂层对于压力变化的快速响应特性。通过使用激发光源及两台高速相机，即可实现直升机旋翼桨叶等高速运动模型表面压力的实时测量。本发明专利技术相较于现有的稳态双组分压力敏感涂料，能够实现双组分发光材料间温度敏感性的匹配，同步消除温度误差与模型运动误差，实现测量精度的提升。同时也能够显著提升涂层的动态响应性能，实现高频压力脉动的实时测量。时测量。时测量。

A fast response two-component pressure sensitive coating and its preparation method and Application

【技术实现步骤摘要】
一种快响应双组分压力敏感涂料及其制备方法和应用


[0001]本专利技术涉及气动力学及流体力学测试
，具体涉及一种快响应双组分压力敏感涂料及其制备方法和应用。

技术介绍

[0002]压力敏感涂料(PSP)是一种非接触式流场压力测量技术。该技术首先在模型表面喷涂一层具有压力敏感性的涂料，并利用特定波长的光源激发涂层中的特殊发光材料。由于“氧猝灭”效应，该发光材料的光致发光过程受到环境中氧分压的影响。基于该效应，即可建立PSP受到激发后的发射光强度与周围空气压力的定量关系。PSP技术与传统的流场测压技术如压力扫描阀、压力传感器等相比具有高空间分辨率、成本低、准备工作简单等诸多优势，目前已在国内外广泛应用于多种空气动力学实验中。
[0003]然而，PSP技术在应用于诸如直升机旋翼桨叶表面压力测量时，存在三个主要的挑战：
[0004]1.PSP技术通常需要利用相机在环境压力下采集模型的参考图像，并与实验状态下的PSP荧光图像作比，计算PSP荧光光强的相对变化量。对于直升机旋翼桨叶等高速运动模型，其运动规律复杂，参考图像与实验图像间通常存在一定的位移。由于激发光光场难以做到空间中绝对均匀，因此不同位置处的荧光强度也存在固有差别，给测量带来误差。此外，存在错位的参考图像与实验图像也难以直接匹配作比，而采用图像配准算法也会引入新的计算误差。
[0005]2.受到“热猝灭”效应的影响，PSP通常具有一定的温度敏感性，而由于温度变化引起的压力测量误差可达2kPa/℃。直升机旋翼桨叶等高速运动模型在运动过程中受到气动加热效应，表面存在显著的温升及温度梯度。因此，在针对此类模型的PSP实验中，修正温度误差是极其重要的一步。传统方法采用对称喷涂温度敏感涂料(TSP)的方式测量温度分布并修正压力，但该方法难以完全保证PSP与TSP具有完全相同的温度分布，且实验准备、数据采集及数据处理过程繁琐，严重影响实验效率。
[0006]3.直升机旋翼桨叶等高速运动模型表面的压力分布具有高度非定常的特性，压力脉动频率高达千赫兹级别，进而对于PSP的动态响应性能提出了较高的要求。适用于稳态测量的PSP响应速度慢，无法满足非定常流场测量的需求，因此需要开发具有快响应特性的新型PSP。
[0007]目前，国内外尚无能够同时解决上述三个问题的PSP涂料。中国专利CN 109517472 A公开了一种双分量稳态压力敏感涂料及其制备方法与应用，采用压力敏感探针、温度参考探针、高分子粘接剂、填料和有机溶剂制备出一种双分量稳态压力敏感涂料，能够利用温度参考探针测量温度并修正压力敏感探针，提高压力测量的精度。然而，该专利技术未能实现两种探针材料间温度敏感性的匹配。当模型在非均匀激发光场中存在位移时，荧光光强的内在差别将给温度测量及压力测量带来误差，进而影响温度修正的精度。因此，该技术仅能用于固定模型测压中的温度误差修正，无法解决上述挑战1中介绍的问题。此外，该专利提出的
PSP为稳态PSP，涂层结构较为致密，动态响应特性较差，仅能用于稳态流场的测量，无法解决上述挑战3中介绍的问题。
[0008]期刊《AIAA JOURNAL》中发表的论文“Temperature
‑
Compensated Fast Pressure
‑
Sensitive Paint”同样介绍了一种具有温度误差修正功能的双组分压敏涂料。虽然该涂料的动态响应性能得到了提升，但与上述专利类似的是，该涂料解决温度误差问题所采用的方式同样为利用对温度敏感的参考组分测量温度，进而修正压力测量的结果。因此，该涂料也仅适用于静止模型的测压实验，无法解决上述挑战1中介绍的问题。
[0009]期刊《JOURNAL OF APPLIED PHYSICS》中发表的论文“A motion
‑
capturing pressure
‑
sensitive paint method”介绍了一种双色压敏涂料，即采用荧光波长在600nm左右且对压力敏感的测压发光分子，与荧光波长在400
‑
550nm间且对压力不敏感的参考发光分子。通过计算双色信号间的光强比值消除运动模型在非均匀激发光场中运动导致的误差(即上述挑战1)。然而，该技术同样未能实现两种探针材料间温度敏感性的匹配。当运动模型表面存在温度梯度时，该技术将无法区分温度引起的荧光光强变化与压力引起的荧光光强变化(无法解决上述挑战2)，进而无法准确获得压力信息。此外，还需要说明的是，该涂料虽然具有较快的响应速度，但其快响应实现的方式是使用多孔的薄层色谱平板(TLC Plate)作为基底并浸入荧光材料溶液。该制备方式多用于PSP样品的研究，难以在具有复杂形貌的真实模型表面应用。

技术实现思路

[0010]本专利技术的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种快响应双组分压力敏感涂料及其制备方法和应用。
[0011]本专利技术的目的可以通过以下技术方案来实现：
[0012]本专利技术使用双组分材料的同时利用分子自组装，荧光自猝灭效应等技术调节压力敏感探针与参考探针的温度敏感性，实现双组分间温度敏感性的匹配。因此，不论温度变化或激发光强度变化，都将在双组分间引起相同量的荧光光强变化，进而通过计算双组分荧光强度比就能够同步消除模型运动与温度变化导致的误差；同时，本专利技术采用二氧化硅空心微球为基材，将两种发光材料附着于微球表面，并利用高分子粘结剂将大量微球构筑成为多孔的PSP涂层，进而保证了氧气在涂层内部的快速扩散，最终实现PSP响应速度的显著提升。因此，本专利技术与上述专利及文献在制备方式、涂层结构、动态特性等方面完全不同，具体方案如下：
[0013]一种快响应双组分压力敏感涂料的制备方法，该方法包括以下步骤：
[0014](1)将聚苯乙烯颗粒溶解到有机溶剂中，随后将压力敏感荧光分子和参考荧光分子加入，并搅拌溶解；
[0015](2)将空心二氧化硅微球加入，随后加入分散剂，并超声振荡，打散粒子聚团使粒子充分分散，荧光分子与多孔粒子充分混合吸附，即可得到较粘稠的快响应双组分压力敏感涂料。
[0016]进一步地，所述聚苯乙烯的浓度为0.0005
‑
0.1g/ml。
[0017]进一步地，所述的空心二氧化硅微球的浓度为0.1
‑
0.5g/ml。
[0018]进一步地，所述的聚苯乙烯、压力敏感荧光分子和参考荧光分子的质量比为(0.5
‑
50):1:(1
‑
5)。
[0019]进一步地，所述的分散剂与空心二氧化硅微球的质量比为1:(30
‑
200)。
[0020]进一步地，所述的有机溶剂包括二氯甲烷；所述的压力敏感荧光分子包括PtTFPP或PtOEP；所述的参考荧光分子包括香豆素或荧光素。
[0021]进一步地，所述的分散剂包括聚氧乙烯山梨醇酐单油酸酯，所述的空心二氧化硅微球的直径为2
‑
50μm。本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种快响应双组分压力敏感涂料的制备方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：(1)将聚苯乙烯溶解到有机溶剂中，随后将压力敏感荧光分子和参考荧光分子加入，并搅拌溶解；(2)将空心二氧化硅微球加入，随后加入分散剂，并超声振荡，即可得到快响应双组分压力敏感涂料。2.根据权利要求1所述的一种快响应双组分压力敏感涂料的制备方法，其特征在于，所述聚苯乙烯的浓度为0.0005
‑
0.1g/ml；所述的空心二氧化硅微球的浓度为0.1
‑
0.5g/ml。3.根据权利要求1所述的一种快响应双组分压力敏感涂料的制备方法，其特征在于，所述的聚苯乙烯、压力敏感荧光分子和参考荧光分子的质量比为(0.5
‑
50):1:(1
‑
5)。4.根据权利要求1所述的一种快响应双组分压力敏感涂料的制备方法，其特征在于，所述的分散剂与空心二氧化硅微球的质量比为1:(30
‑
200)。5.根据权利要求1所述的一种快响应双组分压力敏感涂料的制备方法，其特征在于，所述的有机溶剂包括二氯甲烷；所述的压力敏感荧光分子包括PtTFPP或PtOEP；所述的参考荧光分子包括香豆素或荧光素。6.根据权利要求1所述的一种快响应双组分压力敏感涂料的制备方法，其特征在于，所述的分散剂包括聚氧乙烯山梨醇酐单油酸酯，所述的空心二氧化硅微球的直径为2
‑
50μm。7.根据权利要求1所述的一种快响应双组分压力敏...

【专利技术属性】
技术研发人员：焦灵睿，彭迪，谷丰，刘应征，
申请(专利权)人：上海交通大学，
类型：发明
国别省市：