專利名稱：基于硅藻土的仿鯊魚復(fù)合減阻表面的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及仿生技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種減阻表面的制作方法。
背景技術(shù)：
鯊魚是海洋中的游泳健將，其在水中的巡游速度約為5kph，在追捕獵物時(shí)可瞬時(shí)爆發(fā)到70kph。鯊魚的高游速除了與其標(biāo)準(zhǔn)的流線型形體有關(guān)外，還與其特殊的微米級(jí)鱗片溝槽結(jié)構(gòu)以及它體表分泌的粘液關(guān)系密切，兩者的復(fù)合作用稱為“鯊魚皮效應(yīng)”。當(dāng)前，模仿鯊魚表皮減阻機(jī)理、制造高逼真仿鯊魚復(fù)合減阻表面已成為國(guó)內(nèi)外研究的熱點(diǎn)，在水下航行器和長(zhǎng)輸管道減阻領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用價(jià)值。另外，硅藻是最重要的浮游類微生物之一，種類多、數(shù)量大、分布極其廣泛。硅藻不僅形態(tài)多樣，常見(jiàn)的有球形、盤形、圓筒形、桿形、舟形等，而且有著特殊的材質(zhì)和結(jié)構(gòu)。在材質(zhì)上，硅藻殼體的主要化學(xué)成份是二氧化硅；在結(jié)構(gòu)上，單體硅藻大小在幾微米到幾十微米間，由上、下殼面構(gòu)成，殼體內(nèi)部擁有空腔結(jié)構(gòu)，殼體表面布滿納米級(jí)微孔。硅藻土是硅藻的古代殘骸沉積物生成的硅質(zhì)沉積巖，主要由古代硅藻及其它微生物(放射蟲、海綿等)的硅質(zhì)遺骸組成，主要化學(xué)成份是二氧化硅。硅藻土在自然界中作為礦產(chǎn)大量存在，因而來(lái)源廣泛、價(jià)格低廉。由于硅藻土具有細(xì)膩、質(zhì)輕、孔隙度大、吸附性和滲透性強(qiáng)、化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定、耐磨、耐熱、有一定強(qiáng)度等特點(diǎn)，是一種具有重要應(yīng)用價(jià)值的材料。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于，提供基于硅藻土的仿鯊魚復(fù)合減阻表面的制作方法，以解決上述技術(shù)問(wèn)題。本發(fā)明所解決的技術(shù)問(wèn)題可以采用以下技術(shù)方案來(lái)實(shí)現(xiàn)基于硅藻土的仿鯊魚復(fù)合減阻表面的制作方法，包括1)硅藻土預(yù)處理工藝，制得硅藻土混合物；幻硅藻土濾篩工藝，制得硅藻土混合物；幻硅藻土濕坯制作工藝，其特征在于，還包括如下步驟4)高逼真仿鯊魚鱗片溝槽形貌復(fù)制成型(A)采用生物表皮復(fù)制模板的復(fù)制方法復(fù)制出金屬材質(zhì)為鎳、厚度為2. 5mm 3. 5mm的鎳質(zhì)仿鯊魚鱗片溝槽陰模板；(B)將鎳質(zhì)仿鯊魚鱗片溝槽陰模板在室溫條件下放入去離子水中，在功率為 800W 1200W、工作頻率為30KHz 50KHz的條件下超聲清洗IOmin 20min，然后烘干待用；5)仿鯊魚鱗片溝槽形貌約束下的硅藻土燒結(jié)固化直接成型(A)將4)制得的鎳質(zhì)仿鯊魚鱗片溝槽陰模板的有鱗面朝上置于高溫?zé)Y(jié)爐內(nèi)的燒結(jié)爐基座上，然后將幻制得的硅藻土濕坯倒扣在鎳質(zhì)仿鯊魚鱗片溝槽陰模板的有鱗面上；
(B)在1050°C 1150°C溫度范圍內(nèi)進(jìn)行恒溫?zé)Y(jié)處理1. 5h 2. 5h，緩慢降至室溫后進(jìn)行脫模，即得到硅藻土固化表面；(C)室溫條件下將脫模后的硅藻土固化表面浸入去離子水中，在功率為800W 1200W、工作頻率為30KHz 50KHz的條件下超聲清洗IOmin 20min，然后用N2吹干，即得到基于硅藻土的仿鯊魚復(fù)合減阻表面。本發(fā)明通過(guò)高溫?zé)Y(jié)固化的方式將硅藻土固化成多孔表面并直接在其上復(fù)制仿鯊魚鱗片形貌的方法，經(jīng)高溫?zé)Y(jié)后的硅藻土固化表面，其固化強(qiáng)度在30MI^ 40MPa，孔隙度在40% 60%。采用該方法所制作的仿鯊魚復(fù)合減阻表面，其形貌逼真度在65% 75%。所制作的仿鯊魚復(fù)合減阻表面不僅具有高逼真微米級(jí)仿鯊魚鱗片溝槽形貌，能夠發(fā)揮仿鯊魚鱗片溝槽的減阻功能，而且還具有硅藻殼體的納米級(jí)多孔微結(jié)構(gòu)，能夠同時(shí)發(fā)揮仿鯊魚緩釋自潤(rùn)滑粘液的減阻功能。從而實(shí)現(xiàn)提高水下航行器和長(zhǎng)距離油氣輸送管道減阻能力的目的。步驟幻中，為便于脫模，事先在鎳質(zhì)仿鯊魚鱗片溝槽陰模板的有鱗面上涂敷一層質(zhì)量百分比濃度為80%的氮化硼水溶液。步驟1)中，硅藻土預(yù)處理工藝可以采用常用的預(yù)處理方法，也可以采用如下硅藻土預(yù)處理步驟(A)室溫條件下，將硅藻土在質(zhì)量百分比濃度為1. 5% 3. 5%的HF溶液中浸泡處理;3min 5min，然后使用5 μ m 20 μ m的濾布進(jìn)行過(guò)濾，得到第一硅藻土混合物；(B)將所述第一硅藻土混合物在溫度為80°C 90°C條件下，在NH4、H202、H20混合液(1 2 7)中浸泡處理IOmin 20min，然后使用5 μ m 20 μ m的濾布進(jìn)行過(guò)濾，得到第二硅藻土混合物；(C)將所述第二硅藻土混合物在室溫條件下加入去離子水，在功率為800W 1200W、工作頻率為30KHz 50KHz的條件下，超聲清洗IOmin 20min，然后使用5 μ m 20 μ m的濾布進(jìn)行過(guò)濾，得到第三硅藻土混合物。步驟2)中，硅藻土濾篩工藝可以采用常用的濾篩方法，也可以采用如下步驟將 1)制得的硅藻土混合物在室溫條件下加入去離子水，然后使用30μπι 40μπι的濾布進(jìn)行過(guò)濾，濾掉粒徑在30μπι以上的硅藻土混合物，得到第四硅藻土混合物。步驟3)中，硅藻土濕坯制作工藝可以采用常用的濕坯制作方法，也可以采用如下步驟(A)室溫條件下，將幻得到的硅藻土混合物加入去離子水，配制固含量為50% 70%的硅藻土泥漿，然后陳腐Id ；(B)在一定形狀的模具中采用注漿成型工藝制作出硅藻土濕坯；(C)室溫條件下對(duì)硅藻土濕坯進(jìn)行初步的自然風(fēng)干，含水率控制在60 % 80 %。步驟幻中，模具可以根據(jù)要制作的硅藻土固化表面的形狀不同，如平板狀或圓管狀，可任意更換模具。為便于脫模，步驟幻中，事先在模具內(nèi)表面涂敷一層質(zhì)量百分比濃度為80%的氮化硼水溶液。有益效果本發(fā)明采用高溫?zé)Y(jié)固化的方式將硅藻土固化成多孔表面并直接在其上復(fù)制仿鯊魚鱗片形貌，得到的仿鯊魚復(fù)合減阻表面，不僅能夠發(fā)揮仿鯊魚鱗片溝槽的減阻功能，而且還能夠同時(shí)發(fā)揮仿鯊魚緩釋自潤(rùn)滑粘液的減阻功能。


圖1為本發(fā)明的流程圖；圖2為本發(fā)明硅藻土燒結(jié)固化直接成型時(shí)的結(jié)構(gòu)示意圖；圖3為本發(fā)明鎳質(zhì)仿鯊魚鱗片溝槽陰模板表面微觀形貌；圖4為本發(fā)明仿鯊魚復(fù)合減阻表面微觀形貌。
具體實(shí)施例方式為了使本發(fā)明實(shí)現(xiàn)的技術(shù)手段、創(chuàng)作特征、達(dá)成目的與功效易于明白了解，下面結(jié)合具體圖示進(jìn)一步闡述本發(fā)明。參照?qǐng)D1，基于硅藻土的仿鯊魚復(fù)合減阻表面的制作方法，包括如下步驟第一步，硅藻土預(yù)處理工藝，制得硅藻土混合物。硅藻土預(yù)處理工藝可以采用常用的預(yù)處理方法，也可以采用如下硅藻土預(yù)處理步驟(A)室溫條件下，將硅藻土在質(zhì)量百分比濃度為1. 5% 3. 5%的HF溶液中浸泡處理;3min 5min，然后使用5μπι 20μπι的濾布進(jìn)行過(guò)濾，得到第一硅藻土混合物。(B)將第一硅藻土混合物在溫度為80°C 90°C條件下， 在NH4、H202、H20混合液(1:2:7)中浸泡處理IOmin 20min，然后使用5 μ m 20 μ m 的濾布進(jìn)行過(guò)濾，得到第二硅藻土混合物。(C)將第二硅藻土混合物在室溫條件下加入去離子水，在功率為800W 1200W、工作頻率為30KHz 50KHz的條件下，超聲清洗IOmin 20min,然后使用5 μ m 20 μ m的濾布進(jìn)行過(guò)濾，得到第三硅藻土混合物。第二步，硅藻土濾篩工藝，制得硅藻土混合物。硅藻土濾篩工藝可以采用常用的濾篩方法，也可以采用如下步驟將第一步制得的硅藻土混合物在室溫條件下加入去離子水， 然后使用30 μ m 40 μ m的濾布進(jìn)行過(guò)濾，濾掉粒徑在30 μ m以上的硅藻土混合物，得到第四硅藻土混合物。第三步，硅藻土濕坯制作工藝，可以采用常用的濕坯制作方法，也可以采用如下步驟(A)室溫條件下，將第二步得到的硅藻土混合物加入去離子水，配制固含量為50% 70%的硅藻土泥漿，然后陳腐Id。(B)在一定形狀的模具中采用注漿成型工藝制作出硅藻土濕坯。模具可以根據(jù)要制作的硅藻土固化表面的形狀不同，如平板狀或圓管狀，可任意更換模具。(C)室溫條件下對(duì)硅藻土濕坯進(jìn)行初步的自然風(fēng)干，含水率控制在60% 80%。第四步高逼真仿鯊魚鱗片溝槽形貌復(fù)制成型(A)采用生物表皮復(fù)制模板的復(fù)制方法復(fù)制出金屬材質(zhì)為鎳、厚度為2. 5mm 3. 5mm的鎳質(zhì)仿鯊魚鱗片溝槽陰模板。(B)將鎳質(zhì)仿鯊魚鱗片溝槽陰模板在室溫條件下放入去離子水中，在功率為800W 1200W、工作頻率為30KHz 50KHz的條件下超聲清洗IOmin 20min，然后烘干待用。生物表皮復(fù)制模板的復(fù)制方法可以采用現(xiàn)有的方法得到復(fù)制模板。參照?qǐng)D3，為采用脈沖電鑄方法制作的鎳質(zhì)仿鯊魚鱗片溝槽陰模板的微觀結(jié)構(gòu)示意圖。第五步，仿鯊魚鱗片溝槽形貌約束下的硅藻土燒結(jié)固化直接成型參照?qǐng)D2，(A) 將第四步制得的鎳質(zhì)仿鯊魚鱗片溝槽陰模板1的有鱗面朝上置于高溫?zé)Y(jié)爐內(nèi)的燒結(jié)爐基座2上，然后將幻制得的硅藻土濕坯模具3放置在鎳質(zhì)仿鯊魚鱗片溝槽陰模板1上方，且模具3內(nèi)的硅藻土濕坯4倒扣在鎳質(zhì)仿鯊魚鱗片溝槽陰模板1的有鱗面上。⑶在1050°C 1150°C溫度范圍內(nèi)進(jìn)行恒溫?zé)Y(jié)處理1. 5h 2. 5h，緩慢降至室溫后進(jìn)行脫模，即得到硅藻土固化表面；為便于脫模，事先在模具內(nèi)表面均勻涂敷薄薄的一層質(zhì)量百分比濃度為80% 的氮化硼水溶液。為便于脫模，事先在鎳質(zhì)仿鯊魚鱗片溝槽陰模板的有鱗面上均勻涂敷薄薄的一層質(zhì)量百分比濃度為80%的氮化硼水溶液。(C)室溫條件下將脫模后的硅藻土固化表面浸入去離子水中，在功率為800W 1200W、工作頻率為30KHz 50KHz的條件下超聲清洗IOmin 20min，然后用N2吹干，即得到基于硅藻土的仿鯊魚復(fù)合減阻表面。參照?qǐng)D4， 為采用上述工藝制得的仿鯊魚復(fù)合減阻表面的形貌結(jié)構(gòu)示意圖。采用本發(fā)明制成的仿鯊魚復(fù)合減阻表面可以直接應(yīng)用于需要減阻的場(chǎng)所，比如設(shè)置在輸送管道內(nèi)壁上、水下航行器外表面。也可以將本發(fā)明的仿鯊魚復(fù)合減阻表面經(jīng)過(guò)浸入減阻劑、脫氣等處理，得到能緩慢釋放減阻劑的減阻表面，這樣與現(xiàn)有的在需要減阻的表面直接涂覆減阻劑的方式比較，不僅能有效提高自潤(rùn)滑粘液的附著力和容持量，還能達(dá)到緩慢釋放以使其全部作用于湍流有效區(qū)的目的。因而具有提高減阻劑利用效能、減少用量、 降低使用和維護(hù)成本等優(yōu)勢(shì)。以上顯示和描述了本發(fā)明的基本原理和主要特征和本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)。本行業(yè)的技術(shù)人員應(yīng)該了解，本發(fā)明不受上述實(shí)施例的限制，上述實(shí)施例和說(shuō)明書中描述的只是說(shuō)明本發(fā)明的原理，在不脫離本發(fā)明精神和范圍的前提下，本發(fā)明還會(huì)有各種變化和改進(jìn)，這些變化和改進(jìn)都落入要求保護(hù)的本發(fā)明范圍內(nèi)。本發(fā)明要求保護(hù)范圍由所附的權(quán)利要求書及其等效物界定。
權(quán)利要求
1.基于硅藻土的仿鯊魚復(fù)合減阻表面的制作方法，包括1)硅藻土預(yù)處理工藝，制得硅藻土混合物；幻硅藻土濾篩工藝，制得硅藻土混合物；；3)硅藻土濕坯制作工藝，其特征在于，還包括如下步驟4)高逼真仿鯊魚鱗片溝槽形貌復(fù)制成型(A)采用生物表皮復(fù)制模板的復(fù)制方法復(fù)制出金屬材質(zhì)為鎳、厚度為2.5mm 3. 5mm的鎳質(zhì)仿鯊魚鱗片溝槽陰模板；(B)將鎳質(zhì)仿鯊魚鱗片溝槽陰模板在室溫條件下放入去離子水中，在功率為800W 1200W、工作頻率為30KHz 50KHz的條件下超聲清洗IOmin 20min，然后烘干待用；5)仿鯊魚鱗片溝槽形貌約束下的硅藻土燒結(jié)固化直接成型(A)將4)制得的鎳質(zhì)仿鯊魚鱗片溝槽陰模板的有鱗面朝上置于高溫?zé)Y(jié)爐內(nèi)的燒結(jié)爐基座上，然后將幻制得的硅藻土濕坯倒扣在鎳質(zhì)仿鯊魚鱗片溝槽陰模板的有鱗面上；(B)在1050°C 1150°C溫度范圍內(nèi)進(jìn)行恒溫?zé)Y(jié)處理1.5h 2. 5h，緩慢降至室溫后進(jìn)行脫模，即得到硅藻土固化表面；(C)室溫條件下將脫模后的硅藻土固化表面浸入去離子水中，在功率為800W 1200W、 工作頻率為30KHz 50KHz的條件下超聲清洗IOmin 20min，然后用N2吹干，即得到基于硅藻土的仿鯊魚復(fù)合減阻表面。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于硅藻土的仿鯊魚復(fù)合減阻表面的制作方法，其特征在于步驟幻中，為便于脫模，事先在鎳質(zhì)仿鯊魚鱗片溝槽陰模板的有鱗面上涂敷一層質(zhì)量百分比濃度為80%的氮化硼水溶液。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于硅藻土的仿鯊魚復(fù)合減阻表面的制作方法，其特征在于步驟1)中，硅藻土預(yù)處理工藝采用如下步驟(A)室溫條件下，將硅藻土在質(zhì)量百分比濃度為1.5% 3.5%的HF溶液中浸泡處理 3min 5min，然后使用5 μ m 20 μ m的濾布進(jìn)行過(guò)濾，得到第一硅藻土混合物；(B)將所述第一硅藻土混合物在溫度為80°C 90°C條件下，在NH4、H202、H20混合液 (1:2:7)中浸泡處理IOmin 20min，然后使用5 μ m 20 μ m的濾布進(jìn)行過(guò)濾，得到第二硅藻土混合物；(C)將所述第二硅藻土混合物在室溫條件下加入去離子水，在功率為800W 1200W、工作頻率為30KHz 50KHz的條件下，超聲清洗IOmin 20min，然后使用5 μ m 20 μ m的濾布進(jìn)行過(guò)濾，得到第三硅藻土混合物。
4.根據(jù)權(quán)利要求1、2或3所述的基于硅藻土的仿鯊魚復(fù)合減阻表面的制作方法，其特征在于步驟2)中，硅藻土濾篩工藝采用如下步驟將1)制得的硅藻土混合物在室溫條件下加入去離子水，然后使用30 μ m 40 μ m的濾布進(jìn)行過(guò)濾，濾掉粒徑在30 μ m以上的硅藻土混合物，得到第四硅藻土混合物。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的基于硅藻土的仿鯊魚復(fù)合減阻表面的制作方法，其特征在于步驟3)中，硅藻土濕坯制作工藝采用如下步驟(A)室溫條件下，將幻得到的硅藻土混合物加入去離子水，配制固含量為50% 70% 的硅藻土泥漿，然后陳腐Id;(B)在一定形狀的模具中采用注漿成型工藝制作出硅藻土濕坯；(C)室溫條件下對(duì)硅藻土濕坯進(jìn)行初步的自然風(fēng)干，含水率控制在60% 80 %。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的基于硅藻土的仿鯊魚復(fù)合減阻表面的制作方法，其特征在于為便于脫模，步驟幻中，事先在模具內(nèi)表面涂敷一層質(zhì)量百分比濃度為80%的氮化硼水溶液。
全文摘要
本發(fā)明涉及仿生技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種減阻表面的制作方法?；诠柙逋恋姆迈忯~復(fù)合減阻表面的制作方法，包括1)硅藻土預(yù)處理工藝，制得硅藻土混合物。2)硅藻土濾篩工藝，制得硅藻土混合物。3)硅藻土濕坯制作工藝。4)高逼真仿鯊魚鱗片溝槽形貌復(fù)制成型，制得鎳質(zhì)仿鯊魚鱗片溝槽陰模板。5)仿鯊魚鱗片溝槽形貌約束下的硅藻土燒結(jié)固化直接成型，得到基于硅藻土的仿鯊魚復(fù)合減阻表面。本發(fā)明采用高溫?zé)Y(jié)固化的方式將硅藻土固化成多孔表面并直接在其上復(fù)制仿鯊魚鱗片形貌，得到的仿鯊魚復(fù)合減阻表面，不僅能夠發(fā)揮仿鯊魚鱗片溝槽的減阻功能，而且還能夠同時(shí)發(fā)揮仿鯊魚緩釋自潤(rùn)滑粘液的減阻功能。
文檔編號(hào)C04B35/622GK102381870SQ20111026166
公開(kāi)日2012年3月21日 申請(qǐng)日期2011年9月6日 優(yōu)先權(quán)日2011年9月6日
發(fā)明者張珊珊, 楊文 , 邱先慧, 韓鑫 申請(qǐng)人:山東理工大學(xué)