內置有減阻劑的仿鯊魚複合減阻表面的製作方法
2023-04-24 21:20:11
專利名稱：內置有減阻劑的仿鯊魚複合減阻表面的製作方法
技術領域：
本發明涉及仿生技術領域，具體涉及一種減阻表面的製作方法。
背景技術：
鯊魚是海洋中的遊泳健將，其在水中的巡遊速度約為5kph，在追捕獵物時可瞬時爆發到70kph。鯊魚的高遊速除了與其標準的流線型形體有關外，還與其特殊的微米級鱗片溝槽結構以及它體表分泌的粘液關係密切，兩者的複合作用稱為「鯊魚皮效應」。當前，模仿鯊魚表皮減阻機理、製造高逼真仿鯊魚複合減阻表面已成為國內外研究的熱點，在水下航行器和長輸管道減阻領域具有重要的應用價值。利用減阻劑減阻是一種高效的減阻方法，廣泛應用於水下航行器表面或長距離輸送管道(輸油、氣、水等)內壁面的流體減阻。常用的減阻劑主要有聚丙烯醯胺(PAM)和水性環氧樹脂等，儘管減阻效能高，但價格通常較為昂貴。利用減阻劑減阻與利用溝槽等結構型減阻方法相比，具有減阻效率高(減阻效率通常在15%以上)、便於實施等優勢。該減阻方法的實施目前主要採用在航行器表面或長輸管道內壁面直接釋放或塗覆減阻劑的方式， 往往使得大量的減阻劑不能有效作用於湍流有效區，存在減阻劑消耗快、用量大、浪費嚴重、需不斷補充等不足，因而使用和維護成本相對較高。另外，硅藻土是硅藻的古代殘骸沉積物生成的矽質沉積巖，主要由古代硅藻及其它微生物(放射蟲、海綿等)的矽質遺骸組成，主要化學成份是二氧化矽。硅藻土在自然界中作為礦產大量存在，因而來源廣泛、價格低廉。由於硅藻土具有細膩、質輕、孔隙度大、吸附性和滲透性強、化學性質穩定、耐磨、耐熱、有一定強度等特點，是一種具有重要應用價值的材料。
發明內容
本發明的目的在於，提供一種內置有減阻劑的仿鯊魚複合減阻表面的製作方法， 以解決上述技術問題。本發明所解決的技術問題可以採用以下技術方案來實現內置有減阻劑的仿鯊魚複合減阻表面的製作方法，其特徵在於，包括如下步驟1)硅藻土預處理，得到硅藻土混合物；2)硅藻土濾篩(A)將1)製得的硅藻土混合物在室溫條件下加入去離子水，然後使用30μπι 40 μ m的濾布進行過濾，濾掉粒徑在30 μ m以上的硅藻土混合物；(B)將餘下的硅藻土混合物在室溫條件下用N2吹乾，得到第四硅藻土混合物；3)硅藻土酸蝕處理室溫條件下，將2)得到的第四硅藻土混合物加入到質量百分比濃度為10% 20%的HF溶液中酸蝕處理IOmin 20min，然後使用5 μ m 20 μ m的濾布進行過濾，得到第五硅藻土混合物；4)高逼真仿鯊魚鱗片溝槽形貌複製成型
(A)採用生物表皮複製模板的複製方法複製出金屬材質為鎳、厚度為2. 5mm 3. 5mm的鎳質仿鯊魚鱗片溝槽陰模板；(B)將鎳質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，然後烘乾待用；5)仿鯊魚鱗片溝槽形貌約束下的硅藻土熱壓固化直接成型(A)將幻製得的第五硅藻土混合物均勻放入熱壓模具內，並將熱壓模具置於熱壓固化約束成型裝置內的電加熱基座上；(B)將4)製得的鎳質仿鯊魚鱗片溝槽陰模板的有鱗面朝下蓋在熱壓模具內的第五硅藻土混合物上，然後在鎳質仿鯊魚鱗片溝槽陰模板背面再壓上均壓沙袋；(C)將電加熱基座升溫至415°C 650°C，並在此溫度範圍內保持恆溫；(D)在均壓沙袋上施加壓力500 700kPa進行熱壓鍵合證 10h，然後進行脫模；(E)室溫條件下將脫模後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，然後用N2吹乾，即得到具有高逼真仿鯊魚鱗片溝槽形貌的硅藻土固化表面；6)硅藻土固化表面吸附緩釋減阻劑(A)室溫條件下，將5)製得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，然後用N2吹乾；(B)製備減阻劑水溶液；(C)將乾燥後的硅藻土固化表面完全浸入減阻劑水溶液，然後置於真空乾燥箱內進行脫氣處理IOmin 20min，然後取出，便製得仿鯊魚複合減阻表面。本發明採用上述工藝的硅藻土通過酸蝕和熱壓鍵合固化的方式將硅藻土固化成多孔表面，與傳統的採用燒結的方式固化硅藻土相比，其固化強度在15MPa 25MPa，孔隙度在50% 70%。其固化後能保留多孔結構，所製得的硅藻土固化表面具有較大的孔體積、較強的吸附性和緩釋性。本發明在固化硅藻土的同時，直接在其上複製仿鯊魚鱗片形貌，其形貌逼真度在75 % 85 %。所製作的仿鯊魚複合減阻表面不僅具有高逼真微米級仿鯊魚鱗片溝槽形貌，能夠發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多孔微結構，能夠同時發揮仿鯊魚緩釋自潤滑粘液的減阻功能。從而實現提高水下航行器和長距離油氣輸送管道減阻能力的目的。另外，本發明利用硅藻土固化表面來吸附和緩釋減阻劑水溶液，以實現減阻。不僅能有效提高減阻劑水溶液的附著力和容持量，還能達到緩慢釋放以使其全部作用於湍流有效區的目的。因而具有提高其利用效能、減少用量、降低使用和維護成本等優勢。步驟5)中的熱壓模具採用鉛製成。根據要製作的仿鯊魚複合減阻表面的形狀不同，如平板狀或圓管狀，可根據需要任意更換該熱壓模具。為便於脫模，步驟幻中，事先在熱壓模具內表面塗敷一層質量百分比濃度為80% 的氮化硼水溶液。為便於脫模，步驟幻中，事先在鎳質仿鯊魚鱗片溝槽陰模板的有鱗面上塗敷一層質量百分比濃度為80%的氮化硼水溶液。
步驟6)採用的減阻劑水溶液為聚丙烯醯胺(PAM)減阻劑水溶液。聚丙烯醯胺減阻劑水溶液的製備方法如下室溫條件下，在去離子水中，邊攪拌邊慢慢加入聚丙烯醯胺(PAM)粉體顆粒，配製質量百分比濃度為2%的聚丙烯醯胺減阻劑水溶液。步驟1)中，硅藻土預處理工藝可以採用常用的預處理方法，也可以採用如下硅藻土預處理步驟(A)室溫條件下，將硅藻土在質量百分比濃度為1. 5% 3. 5%的HF溶液中浸泡處理;3min 5min，然後使用5 μ m 20 μ m的濾布進行過濾，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，然後使用5 μ m 20 μ m的濾布進行過濾，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，然後使用5 μ m 20 μ m的濾布進行過濾，得到第三硅藻土混合物。有益效果由於採用上述技術方案，本發明採用硅藻土固化成多孔表面並直接在其上複製仿鯊魚鱗片形貌的方式得到的仿鯊魚複合減阻表面，還在仿鯊魚複合減阻表面吸附減阻劑後，不僅能夠發揮仿鯊魚鱗片溝槽的減阻功能，而且還能夠同時發揮仿鯊魚緩釋自潤滑粘液的減阻功能。
圖1為本發明的流程圖；圖2為本發明熱壓固化約束成型時的結構示意圖；圖3為本發明鎳質仿鯊魚鱗片溝槽陰模板表面微觀形貌；圖4為本發明硅藻土固化表面微觀形貌。
具體實施例方式為了使本發明實現的技術手段、創作特徵、達成目的與功效易於明白了解，下面結合具體圖示進一步闡述本發明。參照圖1，內置有減阻劑的仿鯊魚複合減阻表面的製作方法，包括如下步驟第一步，硅藻土預處理，得到硅藻土混合物。硅藻土預處理工藝可以採用常用的預處理方法，也可以採用如下硅藻土預處理步驟(A)室溫條件下，將硅藻土在質量百分比濃度為1. 5% 3. 5%的HF溶液中浸泡處理;3min 5min，然後使用5 μ m 20 μ m的濾布進行過濾，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，然後使用5 μ m 20 μ m 的濾布進行過濾，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,然後使用5 μ m 20 μ m的濾布進行過濾，得到第三硅藻土混合物。第二步，硅藻土濾篩(A)將第一步製得的硅藻土混合物在室溫條件下加入去離子水，然後使用30 μ m 40 μ m的濾布進行過濾，濾掉粒徑在30 μ m以上的硅藻土混合物。(B)將餘下的硅藻土混合物在室溫條件下用N2吹乾，得到第四硅藻土混合物。第三步，硅藻土酸蝕處理室溫條件下，將第二步得到的第四硅藻土混合物加入到質量百分比濃度為10% 20%的HF溶液中酸蝕處理IOmin 20min，然後使用5μπι 20 μ m的濾布進行過濾，得到第五硅藻土混合物。第四步，高逼真仿鯊魚鱗片溝槽形貌複製成型(A)採用生物表皮複製模板的複製方法複製出金屬材質為鎳、厚度為2. 5mm 3. 5mm的鎳質仿鯊魚鱗片溝槽陰模板。(B)將鎳質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，然後烘乾待用。生物表皮複製模板的複製方法可以採用現有的方法得到複製模板。參照圖3，為採用脈衝電鑄方法製作的鎳質仿鯊魚鱗片溝槽陰模板的微觀結構示意圖。第五步，仿鯊魚鱗片溝槽形貌約束下的硅藻土熱壓固化直接成型參照圖2，(A) 將第三步製得的第五硅藻土混合物均勻放入熱壓模具1內，並將熱壓模具1置於熱壓固化約束成型裝置內的電加熱基座2上。熱壓模具1採用鉛製成。根據要製作的仿鯊魚複合減阻表面的形狀不同，如平板狀或圓管狀，可根據需要任意更換該熱壓模具1。(B)將第四步製得的鎳質仿鯊魚鱗片溝槽陰模板3的有鱗面朝下蓋在熱壓模具1內的第五硅藻土混合物上，然後在鎳質仿鯊魚鱗片溝槽陰模板3背面再壓上均壓沙袋4。(C)將電加熱基座2 升溫至415°C 650°C，並在此溫度範圍內保持恆溫。(D)在均壓沙袋4上施加壓力500 700kPa進行熱壓鍵合證 10h，然後進行脫模。(E)室溫條件下將脫模後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，然後用N2吹乾，即得到具有高逼真仿鯊魚鱗片溝槽形貌的硅藻土固化表面。參照圖4，為採用上述工藝製得的硅藻土固化表面的形貌結構示意圖。為便於脫模，第五步中，事先在熱壓模具內表面均勻塗敷薄薄的一層質量百分比濃度為80%的氮化硼水溶液。事先在鎳質仿鯊魚鱗片溝槽陰模板的有鱗面上均勻塗敷薄薄的一層質量百分比濃度為80%的氮化硼水溶液。第六步，硅藻土固化表面吸附緩釋減阻劑(A)室溫條件下，將第五步製得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，然後用N2吹乾。(B)製備減阻劑水溶液，採用的減阻劑水溶液優選為聚丙烯醯胺(PAM)減阻劑水溶液。聚丙烯醯胺減阻劑水溶液的製備方法如下室溫條件下，在去離子水中，邊攪拌邊慢慢加入聚丙烯醯胺(PAM)粉體顆粒，配製質量百分比濃度為2%的聚丙烯醯胺減阻劑水溶液。(C)將乾燥後的硅藻土固化表面完全浸入減阻劑水溶液，然後置於真空乾燥箱內進行脫氣處理IOmin 20min，然後取出，便製得仿鯊魚複合減阻表面。採用本發明製成的仿鯊魚複合減阻表面可以直接應用於需要減阻的場所，比如設置在輸送管道內壁上、水下航行器外表面。也可以將本發明的仿鯊魚複合減阻表面經過浸入減阻劑、脫氣等處理，得到能緩慢釋放減阻劑的減阻表面，這樣與現有的在需要減阻的表面直接塗覆減阻劑的方式比較，不僅能有效提高自潤滑粘液的附著力和容持量，還能達到緩慢釋放以使其全部作用於湍流有效區的目的。因而具有提高減阻劑利用效能、減少用量、 降低使用和維護成本等優勢。另外，本發明利用硅藻土固化表面來吸附和緩釋減阻劑水溶液，以實現減阻。不僅能有效提高減阻劑水溶液的附著力和容持量，還能達到緩慢釋放以使其全部作用於湍流有效區的目的。因而具有提高其利用效能、減少用量、降低使用和維護成本等優勢。 以上顯示和描述了本發明的基本原理和主要特徵和本發明的優點。本行業的技術人員應該了解，本發明不受上述實施例的限制，上述實施例和說明書中描述的只是說明本發明的原理，在不脫離本發明精神和範圍的前提下，本發明還會有各種變化和改進，這些變化和改進都落入要求保護的本發明範圍內。本發明要求保護範圍由所附的權利要求書及其等效物界定。
權利要求
1.內置有減阻劑的仿鯊魚複合減阻表面的製作方法，其特徵在於，包括如下步驟1)硅藻土預處理，得到硅藻土混合物；2)硅藻土濾篩(A)將1)製得的硅藻土混合物在室溫條件下加入去離子水，然後使用30μπι 40μπι 的濾布進行過濾，濾掉粒徑在30 μ m以上的硅藻土混合物；(B)將餘下的硅藻土混合物在室溫條件下用N2吹乾，得到第四硅藻土混合物；3)硅藻土酸蝕處理室溫條件下，將幻得到的第四硅藻土混合物加入到質量百分比濃度為10% 20%的HF溶液中酸蝕處理IOmin 20min，然後使用5 μ m 20 μ m的濾布進行過濾，得到第五硅藻土混合物；4)高逼真仿鯊魚鱗片溝槽形貌複製成型(A)採用生物表皮複製模板的複製方法複製出金屬材質為鎳、厚度為2.5mm 3. 5mm的鎳質仿鯊魚鱗片溝槽陰模板；(B)將鎳質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，然後烘乾待用；5)仿鯊魚鱗片溝槽形貌約束下的硅藻土熱壓固化直接成型(A)將幻製得的第五硅藻土混合物均勻放入熱壓模具內，並將熱壓模具置於熱壓固化約束成型裝置內的電加熱基座上；(B)將4)製得的鎳質仿鯊魚鱗片溝槽陰模板的有鱗面朝下蓋在熱壓模具內的第五硅藻土混合物上，然後在鎳質仿鯊魚鱗片溝槽陰模板背面再壓上均壓沙袋；(C)將電加熱基座升溫至415°C 650°C，並在此溫度範圍內保持恆溫；(D)在均壓沙袋上施加壓力500 700kPa進行熱壓鍵合證 10h，然後進行脫模；(E)室溫條件下將脫模後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，然後用N2吹乾，即得到具有高逼真仿鯊魚鱗片溝槽形貌的硅藻土固化表面；6)硅藻土固化表面吸附緩釋減阻劑(A)室溫條件下，將幻製得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，然後用N2吹乾；(B)製備減阻劑水溶液；(C)將乾燥後的硅藻土固化表面完全浸入減阻劑水溶液，然後置於真空乾燥箱內進行脫氣處理IOmin 20min，然後取出，便製得仿鯊魚複合減阻表面。
2.根據權利要求1所述的內置有減阻劑的仿鯊魚複合減阻表面的製作方法，其特徵在於步驟幻中的熱壓模具採用鉛製成。
3.根據權利要求1所述的內置有減阻劑的仿鯊魚複合減阻表面的製作方法，其特徵在於為便於脫模，步驟幻中，事先在熱壓模具內表面塗敷一層質量百分比濃度為80 %的氮化硼水溶液。
4.根據權利要求3所述的內置有減阻劑的仿鯊魚複合減阻表面的製作方法，其特徵在於為便於脫模，步驟幻中，事先在鎳質仿鯊魚鱗片溝槽陰模板的有鱗面上塗敷一層質量百分比濃度為80%的氮化硼水溶液。
5.根據權利要求1所述的內置有減阻劑的仿鯊魚複合減阻表面的製作方法，其特徵在於步驟6)採用的減阻劑水溶液為聚丙烯醯胺減阻劑水溶液。
6.根據權利要求5所述的內置有減阻劑的仿鯊魚複合減阻表面的製作方法，其特徵在於聚丙烯醯胺減阻劑水溶液的製備方法如下室溫條件下，在去離子水中，邊攪拌邊慢慢加入聚丙烯醯胺粉體顆粒，配製質量百分比濃度為2%的聚丙烯醯胺減阻劑水溶液。
7.根據權利要求1至6中任意一項所述的內置有減阻劑的仿鯊魚複合減阻表面的製作方法，其特徵在於步驟1)中，硅藻土預處理工藝採用如下步驟(A)室溫條件下，將硅藻土在質量百分比濃度為1.5% 3.5%的HF溶液中浸泡處理 3min 5min，然後使用5 μ m 20 μ m的濾布進行過濾，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混合液中浸泡處理IOmin 20min，然後使用5 μ m 20 μ m的濾布進行過濾，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，然後使用5 μ m 20 μ m的濾布進行過濾，得到第三硅藻土混合物。
全文摘要
本發明涉及仿生技術領域，具體涉及一種減阻表面的製作方法。內置有減阻劑的仿鯊魚複合減阻表面的製作方法，包括如下步驟1)硅藻土預處理。2)硅藻土濾篩。3)硅藻土酸蝕處理。4)高逼真仿鯊魚鱗片溝槽形貌複製成型。5)仿鯊魚鱗片溝槽形貌約束下的硅藻土熱壓固化直接成型。6)硅藻土固化表面吸附緩釋減阻劑，製得仿鯊魚複合減阻表面。由於採用上述技術方案，本發明在仿鯊魚複合減阻表面吸附減阻劑，不僅能夠發揮仿鯊魚鱗片溝槽的減阻功能，而且還能夠同時發揮仿鯊魚緩釋自潤滑粘液的減阻功能。
文檔編號C04B35/622GK102381871SQ201110261728
公開日2012年3月21日 申請日期2011年9月6日 優先權日2011年9月6日
發明者夏連明, 張珊珊, 邱先慧, 韓鑫 申請人:山東理工大學