基于表面形貌尺寸可調(diào)的變形仿鯊魚減阻蒙皮的制作方法技術(shù)

本發(fā)明專利技術(shù)基于表面形貌尺寸可調(diào)的變形仿鯊魚減阻蒙皮的制作方法，它有四大步驟：步驟一：制作鯊魚皮生物模板；步驟二：制作硅橡膠彈性陰模板；步驟三：制作變形仿鯊魚形貌減阻蒙皮并研究規(guī)律；步驟四：根據(jù)應(yīng)用對(duì)象需求制造變形仿鯊魚形貌減阻蒙皮。應(yīng)用本發(fā)明專利技術(shù)制得的彈性陰模板具有與原始鯊魚表皮形貌９５％以上的相似度，應(yīng)用本發(fā)明專利技術(shù)制作仿鯊魚減阻蒙皮，可根據(jù)應(yīng)用對(duì)象的常用速度、介質(zhì)粘度等參數(shù)調(diào)整蒙皮表面形貌的尺寸，使仿鯊魚減阻蒙皮的減阻效果接近最佳狀態(tài)。它在仿生制造技術(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。

【技術(shù)實(shí)現(xiàn)步驟摘要】

本專利技術(shù)涉及一種，更特 別地說，是指一種通過對(duì)低阻生物表皮形貌進(jìn)行變形復(fù)制以制作變形仿鯊魚皮形貌減阻蒙 皮的制備工藝，屬于仿生制造

技術(shù)介紹
減少固液之間的壁面摩擦阻力，節(jié)約能源消耗一直是人類追求的目標(biāo)。有效降低 航行器、管道等運(yùn)輸工具的表面阻力以提高速度、降低燃料消耗，對(duì)于國(guó)民經(jīng)濟(jì)和國(guó)防安全 都具有重要意義。通常采用的減阻辦法是在運(yùn)輸工具與流體相接觸的表面貼附具有減阻效 果的蒙皮。鯊魚表面特殊的形貌具有性能優(yōu)異的減阻效果，模仿鯊魚皮的減阻機(jī)理、制造仿 鯊魚減阻表皮已成為國(guó)內(nèi)外研究的熱點(diǎn)。在現(xiàn)有技術(shù)條件下，對(duì)于仿鯊魚皮形貌減阻蒙皮的制造主要存在兩種方式，一種 是在對(duì)鯊魚表皮微觀形貌進(jìn)行抽象簡(jiǎn)化的基礎(chǔ)上，借助微細(xì)機(jī)械加工(如微雕刻、微銑削、 微鍛壓等)、高能束加工(激光燒結(jié))、半導(dǎo)體加工、微快速原型等方法制造出直溝槽的仿 鯊魚減阻形貌。US Patents :4753401、4930729、4863121、5386955、5606201 分別公開了采 用仿形加工方法成型出仿鯊魚減阻形貌的制備方法。采用上述仿制技術(shù)手段不僅成型效 率低、成本高，而且所仿制出的仿鯊魚物逼真程度差、減阻率低，難以實(shí)現(xiàn)工程化應(yīng)用。另 一種方式是對(duì)生物表皮直接復(fù)制以成型出逼近生物表面形貌的仿鯊魚皮形貌減阻蒙皮。 CN101081532、CN101487130分別公開了用熱壓印法和電鑄法制作高逼真仿鯊魚皮形貌陰 模板的方法，這種方法成型效率高、成本低、減阻效果好，但存在的問題是鯊魚皮形貌是由 帶有溝槽的鱗片密排而成，其溝槽寬度等幾何要素直接影響到減阻效果的最佳適用速度范 圍，溝槽寬度較小的鱗片適合于速度較高的物體減阻，溝槽寬度較大的鱗片適合于速度較 低的物體減阻，而鯊魚表面鱗片的溝槽尺寸相對(duì)比較固定，難以滿足多種應(yīng)用對(duì)象的需求。變形復(fù)制是在對(duì)鯊魚皮形貌精確復(fù)制的基礎(chǔ)上，再通過拉伸陰模板改變鯊魚皮表 面形貌的溝槽尺寸，然后翻膜制備出變形后的鯊魚皮形貌。其原理是借助硅橡膠陰模板在 拉伸時(shí)對(duì)表面形貌的影響，調(diào)節(jié)鯊魚皮形貌的尺寸以適應(yīng)應(yīng)用對(duì)象的需求。應(yīng)用變形復(fù)制 工藝制作變形仿鯊魚皮形貌減阻蒙皮的目的是在保持鯊魚皮形貌減阻效果和生物復(fù)制成 形工藝優(yōu)勢(shì)的同時(shí)，擴(kuò)大生物復(fù)制鯊魚皮形貌的減阻適用范圍。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路
1、目的本專利技術(shù)的目的之一是提出一種高精度復(fù)制鯊魚皮表面形貌制作彈性陰模 板的工藝，該工藝先將鯊魚表皮制成生物模板，然后借助真空傾倒裝置在真空狀態(tài)下澆注 硅橡膠，待硅橡膠固化后脫模制得鯊魚皮形貌彈性陰模板。該彈性陰模板可以直接澆注填 料制得與原始鯊魚皮的形貌似度在95%以上的逼真仿鯊魚皮形貌減阻蒙皮，也可以拉伸變 形后澆注填料制得變形仿鯊魚皮形貌減阻蒙皮。本專利技術(shù)的另一目的是提出一種利用拉伸彈性陰模板改變其表面形貌以制作變形仿鯊魚皮形貌減阻蒙皮的工藝。該工藝將鯊魚皮形貌彈性陰模板橫向或縱向拉伸至一定比 例后固定，在真空狀態(tài)下澆注填料，待填料固化后脫模，制得表面形貌的溝槽尺寸改變后的 變形仿鯊魚皮形貌減阻蒙皮。本專利技術(shù)的變形復(fù)制工藝借助鯊魚皮表面的獨(dú)特外形和結(jié)構(gòu)特 點(diǎn)，在對(duì)鯊魚皮形貌實(shí)現(xiàn)精確復(fù)制的基礎(chǔ)上，通過拉伸陰模板進(jìn)一步改變鯊魚皮形貌的溝 槽尺寸，最終制得符合環(huán)境需求的變形仿鯊魚皮形貌減阻蒙皮。2、技術(shù)方案本專利技術(shù)一種基于表面形貌尺寸可調(diào)的變形仿鯊魚減阻蒙皮的制作方 法，如圖1所示，該方法具體步驟如下步驟一制作鯊魚皮生物模板(A)將購(gòu)入的鯊魚表皮用去離子水清洗3 6次，然后將洗凈的鯊魚表皮在2. 5% 戊二醛溶液中化學(xué)固定6 8h，化學(xué)固定溫度0 4°C，制得固定試樣表皮；(B)將經(jīng)㈧步驟制得的固定試樣表皮采用去離子水清洗3 6次，然后將洗凈 的固定試樣表皮依次放入濃度50%乙醇溶液中脫水20 30min、濃度75%乙醇溶液中脫 水20 30min、濃度95%乙醇溶液中脫水20 30min、濃度100%乙醇溶液中脫水20 30min，制得脫水試樣表皮；(C)將經(jīng)(B)步驟制得的脫水試樣表皮在50 70°C條件下烘8 12h，制得鯊魚 皮生物模板，其表面形貌如圖2A所示。由圖可見，鯊魚皮表面由帶有脊?fàn)钔蛊鸬亩荀[所覆 蓋，大量盾鱗通過覆瓦式排列在鯊魚皮表面形成順流向的溝槽(圖2A)，鯊魚皮形貌的橫截 面為圓弧形(圖2B)，縱截面為鱗片疊壓形成的楔形(圖2C)，縱橫方向如圖2A中所示。為防止鯊魚皮皺縮和翹曲，在固定、脫水、干燥環(huán)節(jié)中將鯊魚皮固定在硬質(zhì)板上；此步驟的目的是保持鯊魚皮生物模板的原型結(jié)構(gòu)，通過戊二醛溶液并增加其機(jī)械 強(qiáng)度，包括硬度和強(qiáng)度。步驟二 制作硅橡膠彈性陰模板(參見圖3A、3B)利用真空傾倒裝置在真空狀態(tài)下向鯊魚皮生物模板表面澆注硅橡膠。(A)將步驟一制得的鯊魚皮生物模板(114)放置在底座(101)處，再將硅橡膠和固 化劑均勻混合后裝入燒杯(111)中，此時(shí)旋轉(zhuǎn)盒(Iio)在支撐桿(105)的作用下保持水平， 然后將定時(shí)振動(dòng)器(109)定好時(shí)間后放置在斜面(107)上，如圖3A所示，定時(shí)的長(zhǎng)短參考 真空干燥箱抽真空至IX KT3Pa需要的時(shí)間而設(shè)定。(B)將真空傾倒裝置放入真空干燥箱中抽真空至lX10_3Pa，此后定時(shí)振動(dòng)器 (109)產(chǎn)生振動(dòng)從斜面滑下，帶動(dòng)牽引線(108)使旋轉(zhuǎn)盒(110)發(fā)生翻轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)盒(110)在 使燒杯(111)中的硅橡膠傾倒在鯊魚皮生物模板(114)表面，如圖3B所示。(C)待澆注完成后，再將鯊魚皮生物模板保持在真空狀態(tài)下20min以上，使硅橡膠 在真空狀態(tài)下充分流平。然后將鯊魚皮生物模板從真空干燥箱內(nèi)取出，待硅橡膠在室溫固 化后脫模，制得彈性陰模板，其截面輪廓與鯊魚皮形貌截面輪廓互補(bǔ)，如圖4所示。由于硅 橡膠強(qiáng)度有限，被卡在鱗片下部的硅橡膠中在脫模時(shí)容易被撕裂。因此在脫模時(shí)需要按鱗 片排列順序揭模并沿鱗片反方向拔模，借助鱗片的翻轉(zhuǎn)變形和硅橡膠的彈性優(yōu)勢(shì)實(shí)現(xiàn)順利 脫模。在真空狀態(tài)下澆注硅橡膠是為了使硅橡膠對(duì)鯊魚皮鱗片根部形成充分填充(圖 5A)，避免了先澆注再抽真空時(shí)因鱗片根部處的氣體無法排出而引起的復(fù)制精度下降(圖 5B)，提高了彈性陰模板的復(fù)制精度。5步驟三制作變形仿鯊魚形貌減阻蒙皮并研究規(guī)律(A)將彈性陰模板拉伸至一定比例，并固定在壓板上，固定方法如圖6所示。將陰 模板(24)拉伸至一定比例后，用壓板(23)將其壓在底板(21)上，并擰上螺栓(22)固定 緊。拉伸陰模板時(shí)有兩種方式、沿鯊魚皮溝槽方向的拉伸為縱向拉伸，垂直于溝槽方向的拉 伸為橫向拉伸，縱橫方向如圖2A所示。(B)借助真空傾倒裝置，在真空度為1 X10_3Pa的狀態(tài)下向硅橡膠表面澆注填料， 方式與步驟二中制作陰模板的方法相似。待填料固化后脫模，得到變形仿鯊魚形貌減阻蒙 皮。在脫模時(shí)需要按鱗片排列順序揭模并沿鱗片反方向拔模，使蒙皮與彈性陰模板順利分 離。如果在A步驟中陰模板拉伸率為0，即未經(jīng)過拉伸，澆注填料后得到逼真仿鯊魚形貌減 阻蒙皮；如果在A步驟中陰模板被縱向拉伸，澆注填料后得到縱向變形仿鯊魚形貌減阻蒙 皮，如圖7A所示；如果在A步驟中陰模板被橫向拉伸，澆注填料后得到橫向變形仿鯊魚形貌 減阻蒙皮，如圖7B所示。變形仿鯊魚形貌減阻蒙皮的表面溝槽寬度與拉伸的方式和拉伸率有關(guān)。縱向拉伸 陰模板后制得的變形仿鯊魚形貌本文檔來自技高網(wǎng)...

【技術(shù)保護(hù)點(diǎn)】
一種基于表面形貌尺寸可調(diào)的變形仿鯊魚減阻蒙皮的制作方法，其特征在于：該方法具體步驟如下：步驟一：制作鯊魚皮生物模板（Ａ）將購(gòu)入的鯊魚表皮用去離子水清洗３～６次，然后將洗凈的鯊魚表皮在２．５％戊二醛溶液中化學(xué)固定６～８ｈ，化學(xué)固定溫度０～４℃，制得固定試樣表皮；（Ｂ）將經(jīng)（Ａ）步驟制得的固定試樣表皮采用去離子水清洗３～６次，然后將洗凈的固定試樣表皮依次放入濃度５０％乙醇溶液中脫水２０～３０ｍｉｎ、濃度７５％乙醇溶液中脫水２０～３０ｍｉｎ、濃度９５％乙醇溶液中脫水２０～３０ｍｉｎ按照拉伸率１０％、２０％～１００％依次拉伸陰模板并在真空狀態(tài)下澆注填料以制作變形仿鯊魚皮形貌減阻蒙皮；用觸針式輪廓掃描儀對(duì)各種拉伸率下各變形仿鯊魚皮形貌減阻蒙皮進(jìn)行測(cè)量，建立蒙皮的溝槽寬度與拉伸率之間的定量關(guān)系；步驟四：根據(jù)應(yīng)用對(duì)象需求制造變形仿鯊魚形貌減阻蒙皮將仿鯊魚減阻蒙皮應(yīng)用于在流體介質(zhì)中運(yùn)動(dòng)的物體，其溝槽寬度在某一值時(shí)蒙皮接近最佳減阻效果，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１所示：ｓ＝１６υ／Ｕ＊（１）其中，ｓ為溝槽寬度，Ｕ為來流速度、ｖ為介質(zhì)的運(yùn)動(dòng)粘度，Ｃ↓［ｆ］為摩阻系數(shù)，通常狀態(tài)下Ｃ↓［ｆ］的理論公式如式（２）所示，其中，Ｒｅ為雷諾數(shù)，Ｒｅ＝ＵＬ／ｖ，Ｌ為物體的幾何特征尺寸；Ｃ↓［ｆ］＝０．４５５／（ｌｏｇＲｅ）↑［２．５８］－１７００／Ｒｅ（２）根據(jù)應(yīng)用對(duì)象的工作環(huán)境參數(shù)計(jì)算所需減阻蒙皮的最佳寬度值，參考步驟三測(cè)出的蒙皮溝槽寬度與拉伸率之間的定量關(guān)系，將陰模板拉伸至指定的寬度制作變形仿鯊魚皮形貌減阻蒙皮，從而使變形仿鯊魚皮形貌減阻蒙皮在應(yīng)用對(duì)象的工作環(huán)境下能接近最佳減阻狀態(tài)。、濃度１００％乙醇溶液中脫水２０～３０ｍｉｎ，制得脫水試樣表皮；（Ｃ）將經(jīng)（Ｂ）步驟制得的脫水試樣表皮在５０～７０℃條件下烘８～１２ｈ，制得鯊魚皮生物模板，其表面是帶有脊?fàn)钔蛊鸬亩荀[所覆蓋，大量盾鱗通過覆瓦式排列在鯊魚皮表面形成順流向的溝槽，鯊魚皮形貌的橫截面為圓弧形，縱截面為鱗片疊壓形成的楔形。步驟二：制作硅橡膠彈性陰模板利用真空傾倒裝置在真空狀態(tài)下向鯊魚皮生物模板表面澆注硅橡膠；（Ａ）將步驟一制得的鯊魚皮生物模板（１１４）放置在真空傾倒裝置的底座（１０１）處，再將硅橡膠和固化劑均勻混合后裝入燒杯（１１１）中，此時(shí)旋轉(zhuǎn)盒（１１０）在支撐桿（１０５）的作用下保持水平，然后將定時(shí)振動(dòng)器（１０９）定好時(shí)間后放置在斜面（１０７）上，定...

【技術(shù)特征摘要】

【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：張德遠(yuǎn)，李翔，郭明宇，張?chǎng)?/a>，陳華偉，
申請(qǐng)(專利權(quán))人：北京航空航天大學(xué)，
類型：發(fā)明
國(guó)別省市：11[中國(guó)|北京]