專(zhuān)利名稱(chēng)：一種多變環(huán)境下仿鯊魚(yú)減阻表面結(jié)構(gòu)調(diào)控制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種多變環(huán)境下仿鯊魚(yú)減阻表面結(jié)構(gòu)調(diào)控制造方法，更特別地說(shuō)，是指一種結(jié)合生物復(fù)制成形技術(shù)與變形復(fù)制成形方法根據(jù)不同應(yīng)用環(huán)境條件制作仿生鯊魚(yú)皮形貌減阻蒙皮的制備方法。屬于生物仿生制作領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
運(yùn)載工具在行駛過(guò)程中，能源動(dòng)力都用于克服行駛阻力，而對(duì)于大部分運(yùn)載工具而言，表面摩擦阻力一般均占到總阻力的30%以上，對(duì)某些運(yùn)載工具而言摩擦阻力甚至高達(dá)總阻力的80%。因此，選用合理的方法克服表面與介質(zhì)之間的摩擦阻力對(duì)于減少能源消耗具有重要意義。通常采用的減阻辦法是在運(yùn)載工具與流體介質(zhì)相接觸的表面貼附具有減阻效果的蒙皮。鯊魚(yú)表面特殊的形貌具有性能優(yōu)異的減阻效果，模仿鱉魚(yú)皮的減阻機(jī)理、制造仿鱉魚(yú)減阻表皮己成為國(guó)內(nèi)外研究的熱點(diǎn)。 在現(xiàn)有技術(shù)條件下，通常采用在運(yùn)載工具表面貼敷單一減阻功能形貌的蒙皮起到減阻作用。但存在的問(wèn)題是，大量實(shí)驗(yàn)證明，確定的溝槽尺寸是在一定的流速區(qū)間內(nèi)具有減阻效果，低于或者超過(guò)流速區(qū)間可能產(chǎn)生增阻效果。但在運(yùn)載工具行駛過(guò)程中，由于外形曲線的特點(diǎn)，表面不同部位存在著流速不同的現(xiàn)象，同時(shí)，不同速度下對(duì)蒙皮減阻形貌的要求也不相同。因此，僅僅依賴(lài)生物原型減阻形貌以及單一減阻形貌均很難滿足運(yùn)載工具復(fù)雜多變的環(huán)境條件需求。變形調(diào)控制備就是依據(jù)應(yīng)用環(huán)境條件設(shè)計(jì)合理的仿生減阻形貌參數(shù)，在對(duì)鯊魚(yú)皮形貌表面高精度復(fù)制的基礎(chǔ)上，對(duì)減阻形貌進(jìn)行縮放調(diào)整，根據(jù)運(yùn)載工具表面不同區(qū)域的速度特點(diǎn)，以變比例復(fù)制的方法，制作仿生減阻蒙皮，以適應(yīng)運(yùn)載工具表面的不同流速，達(dá)到最佳減阻效果。

發(fā)明內(nèi)容
I、目的本發(fā)明的目的是提供一種多變環(huán)境下仿鯊魚(yú)減阻表面結(jié)構(gòu)調(diào)控制造方法，它是一種利用可變形材料制作陰模板，從而改變生物原型表面形貌以適應(yīng)不同環(huán)境條件的仿鱉魚(yú)皮形貌減阻蒙皮的變形制備工藝。該工藝對(duì)具有鯊魚(yú)皮形貌的陰模板進(jìn)行縮放調(diào)控，將成形材料傾倒入依據(jù)環(huán)境條件進(jìn)行形貌變形的印模板中，待成形材料固化后脫模，制得表面形貌參數(shù)改變后的變形仿鯊魚(yú)皮形貌減阻蒙皮。本發(fā)明的變形復(fù)制工藝借助鯊魚(yú)皮表面的獨(dú)特外形和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，在對(duì)鱉魚(yú)皮形貌實(shí)現(xiàn)精確復(fù)制的基礎(chǔ)上，通過(guò)對(duì)陰模板進(jìn)行縮放調(diào)控，進(jìn)一步改變鯊魚(yú)皮形貌的幾何參數(shù)，最終制得符合環(huán)境需求的變形仿生鯊魚(yú)皮形貌減阻蒙皮。2、技術(shù)方案本發(fā)明一種多變環(huán)境下仿鯊魚(yú)減阻表面結(jié)構(gòu)調(diào)控制造方法，該方法具體步驟如下步驟一制備原始比例鯊魚(yú)皮生物陰模板(A)將裁切下來(lái)的鯊魚(yú)皮先用清水沖洗3 5遍，再用去離子水沖洗2 3遍，完成S魚(yú)皮的清洗；(B)用釘板將鯊魚(yú)皮繃緊在剛性底板上，這樣既可以保證固定后鯊魚(yú)皮依然保持平整，又可以避免傳統(tǒng)重物壓平法對(duì)其鱗片結(jié)構(gòu)的破壞；(C)在通風(fēng)柜中將已經(jīng)繃緊并清洗后的鯊魚(yú)皮完全浸泡在2. 5%的戊二醛溶液中，然后在4°C的恒溫環(huán)境中放置6h以上；(D)將固定后的鯊魚(yú)皮先用濃度為4%磷酸緩沖液漂洗lOmin，再用清水和去離子沖洗5遍，然后依次浸泡于50%的乙醇15min、75%的乙醇15min、95%的乙醇15min、100%的乙醇lOmin，完成鯊魚(yú)皮的梯度脫水；(E)將脫水后的鯊魚(yú)皮放在60°C的烘箱中烘5_7h，直至鯊魚(yú)皮完全干燥，從而完成鯊魚(yú)皮預(yù)處理；(F)在真空狀態(tài)下(I X 10_3Pa)向經(jīng)過(guò)預(yù)處理的鯊魚(yú)皮表面澆注可變形材料，如聚 二甲基硅氧烷(PDMS)，保持在真空狀態(tài)下20min以上，使PDMS在真空狀態(tài)下充分流平。然后將鯊魚(yú)皮生物模板從真空干燥箱內(nèi)取出，待PDMS在室溫固化后脫模，制得原始比例鯊魚(yú)皮生物陰模板。步驟二 依據(jù)應(yīng)用環(huán)境需求設(shè)計(jì)所需制造的變形仿鯊魚(yú)形貌參數(shù)將仿鯊魚(yú)減阻蒙皮應(yīng)用于在介質(zhì)中運(yùn)動(dòng)的物體，其溝槽尺寸必須處于某一特定值時(shí)蒙皮才能取得最佳減阻效果，而該溝槽尺寸最重要的兩個(gè)因素就是溝槽的寬度和深度。由于鯊魚(yú)皮表面經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期的自然進(jìn)化選擇，溝槽的深寬比已經(jīng)處于最佳減阻范圍內(nèi)，即0. 3 1之間，因此，采用以鯊魚(yú)生物原型為變形基板的制備方法時(shí)，只需確定深度和寬度中的一個(gè)尺寸，即可使得整體溝槽尺寸處于最優(yōu)減阻范圍內(nèi)。通常采用確定溝槽寬度的方法來(lái)進(jìn)行尺寸調(diào)整。這一寬度值與物體的速度、長(zhǎng)度以及介質(zhì)粘度有關(guān)，計(jì)算方法如公式I所示
權(quán)利要求
1.一種多變環(huán)境下仿鯊魚(yú)減阻表面結(jié)構(gòu)調(diào)控制造方法，其特征在于該方法具體步驟如下 步驟一制備原始比例鯊魚(yú)皮生物陰模板 (A)將裁切下來(lái)的鯊魚(yú)皮先用清水沖洗3 5遍，再用去離子水沖洗2 3遍，完成鯊魚(yú)皮的清洗； (B)用釘板將鯊魚(yú)皮繃緊在剛性底板上，這樣既可以保證固定后鯊魚(yú)皮依然保持平整，又可以避免傳統(tǒng)重物壓平法對(duì)其鱗片結(jié)構(gòu)的破壞； (C)在通風(fēng)柜中將已經(jīng)繃緊并清洗后的鯊魚(yú)皮完全浸泡在2.5%的戊二醛溶液中，然后在4°C的恒溫環(huán)境中放置6h以上； (D)將固定后的鯊魚(yú)皮先用濃度為4%磷酸緩沖液漂洗lOmin，再用清水和去離子沖洗 5遍,然后依次浸泡于50%的乙醇ISmiruTS1^的乙醇151^1^95%的乙醇15min、100%的乙醇lOmin，完成鯊魚(yú)皮的梯度脫水； (E)將脫水后的鯊魚(yú)皮放在60°C的烘箱中烘5-7h，直至鯊魚(yú)皮完全干燥，從而完成鯊魚(yú)皮預(yù)處理； (F)在lX10_3Pa的真空狀態(tài)下向經(jīng)過(guò)預(yù)處理的鯊魚(yú)皮表面澆注可變形材料，如聚二甲基硅氧烷即PDMS，保持在真空狀態(tài)下20min以上，使PDMS在真空狀態(tài)下充分流平，然后將鯊魚(yú)皮生物模板從真空干燥箱內(nèi)取出，待PDMS在室溫固化后脫模，制得原始比例鯊魚(yú)皮生物陰模板； 步驟二 依據(jù)應(yīng)用環(huán)境需求設(shè)計(jì)所需制造的變形仿鯊魚(yú)形貌參數(shù) 將仿鯊魚(yú)減阻蒙皮應(yīng)用于在介質(zhì)中運(yùn)動(dòng)的物體，其溝槽尺寸必須處于某一特定值時(shí)蒙皮才能取得最佳減阻效果，而該溝槽尺寸最重要的兩個(gè)因素就是溝槽的寬度和深度；由于鯊魚(yú)皮表面經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期的自然進(jìn)化選擇，溝槽的深寬比已經(jīng)處于最佳減阻范圍內(nèi)，即0. 3^1之間，因此，采用以鯊魚(yú)生物原型為變形基板的制備方法時(shí)，只需確定深度和寬度中的一個(gè)尺寸，即可使得整體溝槽尺寸處于最優(yōu)減阻范圍內(nèi)；通常采用確定溝槽寬度的方法來(lái)進(jìn)行尺寸調(diào)整，這一寬度值與物體的速度、長(zhǎng)度以及介質(zhì)粘度有關(guān)，計(jì)算方法如公式I所示
全文摘要
本發(fā)明為一種多變環(huán)境下仿鯊魚(yú)減阻表面結(jié)構(gòu)調(diào)控制造方法，共有三大步驟步驟一制備原始比例鯊魚(yú)皮生物陰模板；步驟二依據(jù)應(yīng)用環(huán)境需求設(shè)計(jì)所需制造的變形仿鯊魚(yú)形貌參數(shù)；步驟三依據(jù)應(yīng)用環(huán)境制備變比例仿生減阻蒙皮。應(yīng)用本發(fā)明制得的變比例仿生鯊魚(yú)皮形貌減阻蒙皮具有與原始鯊魚(yú)表皮形貌完全一致的功能結(jié)構(gòu)，但卻具有不同的形貌參數(shù)。應(yīng)用本發(fā)明制作仿生減阻蒙皮，可根據(jù)應(yīng)用對(duì)象的常用速度、外表面的不同部位以及介質(zhì)粘度等參數(shù)調(diào)整蒙皮表面形貌的尺寸，使仿鯊魚(yú)減阻蒙皮的減阻效果處于最佳狀態(tài)。這在仿生制造技術(shù)領(lǐng)域內(nèi)具有較好的實(shí)用價(jià)值和廣闊的應(yīng)用前景。
文檔編號(hào)B64C1/12GK102849205SQ20121034560
公開(kāi)日2013年1月2日 申請(qǐng)日期2012年9月17日 優(yōu)先權(quán)日2012年9月17日
發(fā)明者陳華偉, 張?chǎng)? 潘駿峰, 馬靈犀, 張德遠(yuǎn) 申請(qǐng)人:北京航空航天大學(xué)