具有自潤滑溝槽複合減阻功能的仿鯊魚蒙皮及其製作方法

2023-06-24 02:51:06

專利名稱：：具有自潤滑溝槽複合減阻功能的仿鯊魚蒙皮及其製作方法
技術領域：
：本發明涉及一種仿鯊魚蒙皮及其製作方法，更特別地說，是指一種採用親水性材料製作出具有自潤滑溝槽複合減阻功能的仿鯊魚蒙皮及其製作方法。
背景技術：
：以仿鯊魚鱗片溝槽和體表粘液為核心內容的仿鯊魚減阻表面製造技術是當前研究的熱點和難點之一。以"鯊魚皮效應"著稱的鯊魚經過不斷自適應、自學習和自組織而進化成滿足自身生存需要、能對外部流體介質進行合理調控的非光滑溝槽減阻表面。它依賴微米級的鱗片溝槽和分泌粘液實現高速巡遊和快速機動。為此，人們嘗試各種手段，試圖模仿或再現鯊魚皮的減阻效果，伹其鱗片構形機制、粘液分泌機制都是人類現有手段所難實現的。鯊魚有可以分泌粘液的粘液腺，其分泌的粘液除可作為一種滲透性的屏障來保護它們防禦菌類外，還可以減小邊界層摩擦，起著重要的減阻作用。當鯊魚追捕獵食時，該粘液可快速溶於水，鯊魚藉此可有效提高其瞬時加速度。鯊魚表皮溝槽微形貌與粘液微緩釋共同決定了"鯊魚皮減阻效應"。傳統的仿鯊魚溝槽減阻表面製造過程存在的成型質量差、成形效率低、製造成本髙以及功能效果差等問題，此外溝槽減阻表面的減阻率目前僅能達到8%左右，單純依靠溝槽減阻很難得到減阻率的進一步大幅度提高;現有的減阻劑減阻方法存在著減阻劑浪費大、利用率低、需要持續添加等問題；此外，現有減阻塗層很難與減阻溝槽相結合，一般常採用簡單的機械疊加方法，很難實現減阻率的顯著增加。為此，本發明將溝槽減阻功能與自潤滑減阻塗層的減阻功能進行了複合，製備了具有自潤滑減阻功能的仿鯊魚溝槽減阻蒙皮。
發明內容本發明的目的之一是提供一種具有自潤滑溝槽複合減阻功能的仿鯊魚蒙皮，該仿鯊魚蒙皮上複製有微米級溝槽，且溝槽具有自潤滑性能。陰模採用矽橡膠，一方面有利於鯊魚表皮形貌被完整地複製，另一方面在製作仿鯊魚蒙皮過程中易於脫模。本發明的目的之二是提出一種釆用低溫抽氣製作具有自潤滑溝槽複合減阻功能的仿鯊魚蒙皮的方法。本發明是一種製備具有自潤滑溝槽複合減阻功能的仿鯊魚蒙皮的方法，該製作方法有如下步驟第一步制陰模(A)將矽橡膠均勻塗覆在鯊魚表皮上形成陰模預成型體，塗覆矽橡膠的厚度為1.5~3mm^(B)將陰模預成型體放入真空室中，抽真空度至1X10-42X10—4MPa,保持10~30min後取出；在壓力3000~5000Pa、固化溫度2235。C條件下加壓固化120~240min後，脫模得到帶有鯊魚皮形貌的陰模；第二步制仿鯊魚蒙皮(A)將仿鯊魚蒙皮材料均勻塗覆在第一步製得的陰模的正面上形成預成型體，塗覆仿鯊魚蒙皮材料的厚度為0.5~2mm;所述仿鯊魚蒙皮材料的配製包括有下列步驟步驟A—1:將聚丙烯醯胺加入去離子水中，配製成濃度為1%2.5%(質量百分比濃度)的聚丙烯醯胺水溶液；步驟A—2:在5070g的聚丙烯醯胺水溶液中加入10g的水性環氧樹脂乳液混合均勻得到備用溶液；步驟A—3:向備用溶液中加入1.82.2g的水性環氧樹脂固化劑、0.7~0.9g的鄰苯二甲酸二丁酯，在轉速60120r/min,攪拌20~30min後得到呈液態的仿鯊魚蒙皮材料；(B)將預成型體放入真空室中，抽真空度至1X10-42X10—4MPa，保持10~30min後取出；在固化溫度60~100。C條件下固化1015h後，脫模得到具有複合減阻自潤滑溝槽的仿鯊魚蒙皮。本發明仿鯊魚蒙皮的優點1、單純採用溝槽減阻目前可以達到的平均減阻率為8%;單純釆用自潤滑減阻塗層可以達到的平均減阻率約為12%。而本發明中的仿鯊魚蒙皮的平均減阻率則可以達到29%，使減阻率得到顯著提高。2、本發明中仿鯊魚蒙皮的溝槽減阻功能與自潤滑減阻功能的複合不是簡單的機械疊加，而是使兩種功能融為一體，使微米級鱗片溝槽同時具有自潤滑功能。3、本發明中的仿鯊魚蒙皮製作方法可以直接將鯊魚皮表面的微米級鱗片溝槽結構與自潤滑性能進行結合，實現溝槽減阻與自潤滑減阻的複合。圖1是鯊魚表皮形貌的電鏡掃描照片。圖2是本發明製得陰模正面形貌的電鏡掃描照片。圖3是本發明製得仿鯊魚蒙皮正面形貌的電鏡掃描照片。圖4是本發明製得的具有自潤滑溝槽的仿鯊魚蒙皮與無溝槽仿鯊魚蒙皮的壓差變化曲線。圖5是本發明製得的具有自潤滑溝槽的仿鯊魚蒙皮在空泡水筒實驗室條件下的減阻率曲線。具體實施例方式下面將結合附圖和實施例對本發明做進一步的詳細說明。本發明是一種製備具有自潤滑溝槽複合減阻功能的仿鯊魚蒙皮的方法,該製作方法有如下步驟第一步制陰禾莫(A)將矽橡膠均勻塗覆在鯊魚表皮上形成陰模預成型體，塗覆矽橡膠的厚度為1.53mmj(B)將陰模預成型體放入真空室中，抽真空度至1X10_4~2X10—4MPa，保持10~30min後取出；在壓力30005000Pa、固化溫度2235。C條件下加壓固化120240min後，脫模得到帶有鯊魚皮形貌的陰模；在本發明中，為了獲得表面形貌更為逼真的陰模，用電鏡掃描鯊魚表皮，其鯊魚表皮表面形貌如圖1所示。用電鏡掃描具有鯊魚皮形貌的陰禾莫，其陰+莫表面形貌如圖2所示。通過對圖l、圖2的比對，其相似度為93%以上，且圖2中有明顯的溝槽結構。第二步制仿鯊魚蒙皮(A)將仿鯊魚蒙皮材料均勻塗覆在第一步製得的陰，莫的正面上形成預成型體，塗覆仿鯊魚蒙皮材料的厚度為0.52mm;所述仿鯊魚蒙皮材料的配製包括有下列步驟步驟A—1:將聚丙烯醯胺加入去離子水中，配製成濃度為1%~2.5%(質量百分比濃度)的聚丙烯醯胺水溶液；步驟A—2:在5070g的聚丙烯醯胺水溶液中加入10g的水性環氧樹脂乳液混合均勻得到備用溶液；步驟A—3:向備用溶液中加入1.82.2g的水性環氧樹脂固化劑、0.70.9g的鄰苯二甲酸二丁酯，在轉速60120Wmin,攪拌2030min後得到呈液態的仿鯊魚蒙皮材料；(B)將預成型體放入真空室中，抽真空度至1X10—4~2XlO_4MPa,保持1030min後取出；在固化溫度60~100。C條件下固化10~15h後，脫模得到具有複合減阻自潤滑溝槽的仿鯊魚蒙皮。在本發明中，步驟A—1在配製過程中，注意邊加入聚丙烯醯胺邊進行攪拌，開始時可以以80100r/min的攪拌速度進行混合；隨著聚丙烯醯胺的加入，降低攪拌速度(4060Wmin)以免將聚丙烯醯胺高分子長鏈結構攪斷，攪拌2030min左右得到質量百分比濃度為1%2.5%的聚丙烯醯胺水溶液。在本發明中，用電鏡掃描仿鯊魚蒙皮表面形貌，如圖3所示。通過對圖1、圖3的比對，其相似度為90%以上。圖3中，採用本發明方法製得的仿鯊魚蒙皮的表面保持了結構的完整性，基本實現了在自潤滑塗層表面上對鱉魚鱗片結構的高保真複製；且仿鯊魚蒙皮表面的溝槽為微米級溝槽，並具有自潤滑性能，仿鯊魚蒙皮的平均減阻率達到29%。本發明製造仿鯊魚蒙皮的工藝充分說明了採用生物複製成形技術可以從高逼真溝槽形貌與自潤滑粘液兩個角度模仿鯊魚皮的減阻機制，從而實現低阻生物表面幾何屬性和界面屬性的雙重仿生，這應該成為仿生減阻表面製造技術未來的發展方向，無疑具有廣闊的應用前景。實施例1:原材料的選取矽橡膠選取深圳市威加有機矽有限公司生產的RTV—2—7055矽橡膠預聚體和25#固化劑，混合比例為10:1。水性環氧樹脂選取浙江安邦新材料發展有限公司生產的AB—EP—44水性環氧樹脂乳液和AB—HGF水性環氧樹脂固化劑。第一步制陰模(A)將矽橡膠均勻塗覆在鯊魚表皮上形成陰模預成型體，塗覆矽橡膠的厚度為1.5mm;(B)將陰模預成型體放入真空室中，抽真空度至1.4X10—4MPa，保持20min後取出；在壓力5000Pa、固化溫度3(TC條件下加壓固化240min後，脫模得到帶有鯊魚皮形貌的陰模；真空室選用上海一恆科技有限公司生產的PZT—6020智能型真空乾燥箱。第二步制仿鯊魚蒙皮(A)將仿鯊魚蒙皮材料均勻塗覆在第一步製得的陰模的正面上形成預成型體，塗覆仿鯊魚蒙皮材料的厚度為1mm;所述仿鯊魚蒙皮材料的配製包括有下列步驟步驟A—l:將聚丙烯醯胺加入去離子水中，配製成濃度為2%(質量百分比濃度)的聚丙烯醯胺水溶液；步驟A—2:在65g的聚丙烯醯胺水溶液中加入10g的水性環氧樹脂乳液混合均勻得到備用溶液；步驟A—3:向備用溶液中加入2g的水性環氧樹脂固化劑、0.8g的鄰苯二甲酸二丁酯，在轉速100r/min，攪拌25min後得到呈液態的仿鯊魚蒙皮材料；(B)將預成型體放入真空室中，抽真空度至1.4X10-4MPa,保持20min後取出；在固化溫度75"條件下固化15h後，脫t莫得到具有複合減阻自潤滑溝槽的仿鯊魚蒙皮。製備的仿鯊魚蒙皮如圖3所示，通過對圖l、圖3的比對，其相似度為90%以上。圖3中，採用本發明方法製得的仿鯊魚蒙皮的表面保持了結構的完整性，基本實現了在自潤滑塗層表面上對鯊魚鱗片結構的高保真複製；且仿鯊魚蒙皮表面的溝槽為微米級溝槽，並具有自潤滑性能。對上述製得的具有複合減阻自潤滑溝槽的仿鯊魚蒙皮在空泡水筒實驗室(中國船舶科學研究中心CSSRC)進行減阻性能測試參見圖4所示的具有自潤滑溝槽的仿鯊魚蒙皮與無溝槽仿鯊魚蒙皮的壓差變化曲線，圖中可以看出，在水速V-1.54.5m"情況下，仿鯊魚蒙皮表現出非常明顯的減阻效果。從上述兩條擬合曲線上分別讀取1.04.5w"且間隔為0.5m"水速下的壓差值AP'和A/V,按照D及-(AP'-AP加VA^'xlO(P/。計算減阻率(如圖5所示)，如表1所示。表1測試樣件擬合壓差曲線讀取壓差值及減阻率計算tableseeoriginaldocumentpage8根據表1得到試驗工況下仿鯊魚自潤滑溝槽減阻表面測試樣件的減阻率曲線。可以看出，通過壓差流阻測試系統測得的仿鯊魚自潤滑溝槽減阻測試樣件在水流速度V-1.54.5w"情況下取得了最大46.31%、最小8.76%的減阻率，平均減阻率達到28.92%;隨水流速度的增加，減阻率先快速上升達到峰值平臺後再緩慢下降，在變化趨勢上與現有自潤滑塗層減阻規律基本相同。考慮到該壓差流阻測試系統具有2%的系統誤差，則實際最大減阻率將可能達到48.31%,平均減阻率將達到30.15%。實施例2:原材料的選取矽橡膠選取深圳市威加有機矽有限公司生產的RTV—2-7055矽橡膠預聚體和25#固化劑，混合比例為15:1。水性環氧樹脂選取浙江安邦新材料發展有限公司生產的AB—EP—44水性環氧樹脂乳液和AB—HGF水性環氧樹脂固化劑。第一步制陰模(A)將矽橡膠均勻塗覆在鯊魚表皮上形成陰模預成型體，塗覆矽橡膠的厚度為3mm}(B)將陰模預成型體放入真空室中，抽真空度至2X10-4MPa,保持15min後取出；在壓力3500Pa、固化溫度22。C條件下加壓固化150min後，脫模得到帶有鯊魚皮形貌的陰豐莫；第二步制仿鯊魚蒙皮(A)將仿鯊魚蒙皮材料均勻塗覆在第一步製得的陰模的正面上形成預成型體，塗覆仿鯊魚蒙皮材料的厚度為0.5mm;所述仿鯊魚蒙皮材料的配製包括有下列步驟步驟A—l:將聚丙烯醯胺加入去離子水中，配製成濃度為2.5%(質量百分比濃度)的聚丙烯醯胺水溶液；步驟A—2:在50g的聚丙烯醯胺水溶液中加入10g的水性環氧樹脂乳液混合均勻得到備用溶液；步驟A—3:向備用溶液中加入1.8g的水性環氧樹脂固化劑、0.9g的鄰苯二甲酸二丁酯，在轉速60Wmin，攪袢30min後得到呈液態的仿鯊魚蒙皮材料；(B)將預成型體放入真空室中，抽真空度至2X10—4MPa，保持30min後取出；在固化溫度IOCTC條件下固化10h後，脫模得到具有複合減阻自潤滑溝槽的仿鯊魚蒙皮。將釆用上述方法製備仿鯊魚蒙皮形貌與圖1進行比對，其相似度為90%以上。採用本發明方法製得的仿鯊魚蒙皮的表面保持了結構的完整性，基本實現了在自潤滑塗層表面上對鯊魚鱗片結構的高保真複製；且仿鯊魚蒙皮表面的溝槽為微米級溝槽，並具有自潤滑性能，仿鯊魚蒙皮的平均減阻率達到29%。權利要求1.一種具有自潤滑溝槽複合減阻功能的仿鯊魚蒙皮，其特徵在於該仿鯊魚蒙皮上複製有微米級溝槽，且溝槽具有自潤滑性能，且該仿鯊魚蒙皮的平均減阻率達到29％。2、一種製備具有自潤滑溝槽複合減阻功能的仿鯊魚蒙皮的方法，其特徵在於包括有下列製備步驟第一步制陰模(A)將矽橡膠均勻塗覆在鯊魚表皮上形成陰模預成型體，塗覆矽橡膠的厚度為1.5~3mmj(B)將陰模預成型體放入真空室中，抽真空度至1X10—4~2X10—4MPa,保持1030min後取出；在壓力30005000Pa、固化溫度2235。C條件下加壓固化120240min後，脫禾莫得到帶有鯊魚皮形貌的陰禾莫；第二步制仿鯊魚蒙皮(A)將仿鯊魚蒙皮材料均勻塗覆在第一步製得的陰模的正面上形成預成型體，塗覆仿鯊魚蒙皮材料的厚度為0.52mm;所述仿鯊魚蒙皮材料的配製包括有下列步驟步驟A—1:將聚丙烯醯胺加入去離子水中，配製成濃度為1%~2.5%(質量百分比濃度)的聚丙烯醯胺水溶液；步驟A—2:在5070g的聚丙烯醯胺水溶液中加入10g的水性環氧樹脂乳液混合均勻得到備用溶液；步驟A—3:向備用溶液中加入1.82.2g的7jC性環氧樹脂固化劑、0.70.9g的鄰苯二甲酸二丁酯，在轉速60120r/min，攪拌20~30min後得到呈液態的仿鯊魚蒙皮材料；(B)將預成型體放入真空室中，抽真空度至1X10_42X10-4MPa，保持10~30min後取出；在固化溫度6010(TC條件下固化1015h後，脫模得到具有複合減阻自潤滑溝槽的仿鯊魚蒙皮。3、根據權利要求2所述的製備具有自潤滑溝槽複合減阻功能的仿鯊魚蒙皮的方法，其特徵在於矽橡膠是雙組分室溫硫化矽橡膠。4、根據權利要求2所述的製備具有自潤滑溝槽複合減阻功能的仿鯊魚蒙皮的方法，其特徵在於水性環氧樹脂由水性環氧樹脂乳液和水性環氧樹脂固化劑組成。全文摘要本發明公開了一種具有自潤滑溝槽複合減阻功能的仿鯊魚蒙皮，該仿鯊魚蒙皮上複製有微米級溝槽，且溝槽具有自潤滑性能；仿鯊魚蒙皮由水性環氧樹脂與聚丙烯醯胺水溶液組成，10g的水性環氧樹脂中加入50～70g的聚丙烯醯胺水溶液；水性環氧樹脂由水性環氧樹脂乳液和水性環氧樹脂固化劑組成，為雙組分的環氧樹脂。本發明製造仿鯊魚蒙皮的工藝充分說明了採用生物複製成形技術可以從高逼真溝槽形貌與自潤滑粘液兩個角度模仿鯊魚皮的減阻機制，從而實現低阻生物表面幾何屬性和界面屬性的雙重仿生，這將成為仿生減阻表面製造技術未來的發展方向，具有廣闊的應用前景。文檔編號C08J5/00GK101372547SQ20081022430公開日2009年2月25日申請日期2008年10月16日優先權日2008年10月16日發明者張德遠,翔李,李元月,鑫韓申請人:北京航空航天大學