採用脈衝電鑄方法製作有鱗生物表皮形貌複製模板的複製方法
2023-05-03 19:44:06
專利名稱：採用脈衝電鑄方法製作有鱗生物表皮形貌複製模板的複製方法
技術領域：
本發明涉及一種對有鱗生物表皮形貌進行複製的工藝，更特別地說，是指一種通 過脈衝電鑄方法來直接複製有鱗生物表皮形貌的複製模板的製備方法。
背景技術：
在節能降耗早已成為當今社會的共同、迫切需求的大背景下，降低各種管道的管 壁表面與輸送介質之間的阻力以提高管道輸送能力、節約管道輸送的能源消耗，對於
國民經濟和國防安全具有重要意義。自然界的很多生物，尤其是一些有鱗表皮生物， 如金槍魚、鯊魚、鱘魚、旗魚或者箭魚等。由於其表面的特殊結構而具有很好的減阻 效果，這為我們提供了很好的減阻^莫板。
目前，在現有技術條件下對有鱗生物表皮形貌複製模板的製備主要集中在對其體 表微觀形貌的仿形製造上，多是在對有鱗生物表皮微觀形貌進行抽象、簡化、放大的 基礎上，藉助微細機械加工(如微雕刻)、高能束加工(如雷射燒結、等離子體刻蝕)、 半導體加工(如LIGA技術)等方法來仿製成型出有鱗生物表皮形貌模板。US Patents: 4753401、 4930729、 4863121、 5386955、 5606201分另[I公開了採 用仿形加工方法成型出仿鯊魚減阻表皮的製備方法，採用上述仿製技術手段不僅成型 效率低、成本高，而且所仿製出的仿生物表皮逼真程度差、減阻效率低，直接限制了 仿生減阻表皮的工程化應用。
精密電鑄技術是利用金屬的電解沉積原理來精確複製某些微細、複雜或難於用其 他方法加工的特殊形狀工件的特種成形方法。其中，脈衝電鑄法是當前較為常用的精 密電鑄方法，其原理是利用電流(或電壓)脈衝的張弛增加陰極的活化極化和降低陰 極的濃差極化，從而改善鑄層的物理化學性能。該方法具有仿形精度高、表面質量好、 設備簡單、操作容易等優點，尤其對於複製微細複雜結構具有明顯優勢。 發明 內 容本發明的目的之一是提供一種採用脈衝電鑄方法製作出的有鱗生物表皮形貌的 複製模板，應用複製模板作為複製仿生減阻蒙皮的模具，其製作出的仿生物減阻蒙皮
可以作為輸送管道的減阻表面；製作出的仿生物減阻蒙皮具有與原始生物表皮形貌 90。/。以上的逼真度，能夠有效地提高輸送管道減阻表面的減阻率。採用本發明方法 能夠直接製得金屬陰模板，可以直接作為成形模具在各種管道內壁上壓製出仿生減阻表面。
本發明的另一目的是提出一種採用脈衝電鑄方法製作複製模板的複製工藝，該復 制工藝先將有鱗生物表皮製成生物表皮乾燥樣本，然後進行樣本加固及防水—樣本導 電層傾斜濺射—電鑄前超聲波脫氣—脈衝電鑄制模—加熱脫模，最後製得複製模板。 本發明的複製工藝充分藉助有鱗生物表皮的獨特外形和結構特點，直接對生物體進行 電鑄復型，最終實現有鱗生物體表微觀形貌的高逼真複製。
本發明製作有鱗乾燥試樣表皮的優點(1)對原有鱗生物表皮釆用平面釘板或 框架加固進行清洗、固化、脫水、乾燥，未破壞生物原型形貌，其原型結構完好率在 95%以上；(2)在2.5%戊二醛溶液中化學固定使生物原型結構的機械性能得到有效 提髙，其硬度和強度提高80%以上；(3)經不同濃度的乙醇溶液脫水後進行烘乾使 試樣表皮的含水率得到有效降低，其含水率低於10%。 (4)釆用本發明方法能夠直 接製得金屬陰模板，可以直接作為成形模具在各種材質(管道內壁)上壓製出仿生減 阻表面。(5)陰+莫板可釆用各種金屬材料，來源廣泛，並且長期重複使用。
圖1是本發明採用脈衝電鑄方法製作生物表皮形貌複製模板的工藝流程框圖。
圖2是乾燥試樣表皮置於濺射室的裝配示意圖。
圖3是脈衝電鑄的裝配示意圖。
圖4是闊口真鯊的魚皮表面形貌SEM照片。
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。
參見圖1所示，本發明是一種採用脈衝電鑄方法製作有鱗生物表皮形貌複製模 板的複製方法，其特徵在於有下列複製工藝步驟
5第一步製作有鱗生物表皮樣本
(A) 將購入的原有鱗生物表皮經去離子水清洗3 6次後，將其在質量百分比 濃度為2.5。/。戊二醛溶液中化學固定6A 8/ ，化學固定溫度0" 4匯，製得固定
試樣表皮；
(B) 將經(A)步驟製得的固定試樣表皮採用去離子水清洗3~6次後，將其 依次放入質量百分比濃度50%乙醇溶液中脫水20min 30min、質量百分比濃度 75。/。乙醇溶液中脫水20min 30min、質量百分比濃度95Q/。乙醇溶液中脫水 20min 30min、質量百分比濃度100。/。乙醇溶液中脫水20min ~30min ，製得脫
水試樣表皮；
(C) 將經(B)步驟製得的脫水試樣表皮在50。C 7CrC條件下烘8/ 12/^ 製得含水率質量百分比為5%~ 10。/。的有鱗生物表皮樣本；
為防止原生物表皮皺縮和翹曲，將原生物表皮四周繃在一夾具或者平面板上，所 述夾具為常用的相框式框架。在固定、脫水、乾燥環節中均釆用了框架式夾具，能夠
使原生物表皮保持平整。
所述的原生物表皮可以是市售鯊魚皮、金槍魚魚皮、旗魚魚皮、箭魚魚皮或者鱘 魚皮等。對於原生物表皮的挑選， 一般選取具有呈菱形排列的盾鱗結構表皮。
此步驟的目的是保持原生物表皮原型結構，通過戊二醛溶液並增加其機械強度， 包括硬度和強度。
第二步有鱗乾燥試樣表皮樣本加固及防水
選取非金屬硬質平板作為背襯；所述背襯可以是有機玻璃、玻璃； 將經第一步製得的有鱗乾燥試樣表皮粘貼在背襯上，形成加固試樣； 然後採用環氧樹脂膠對加周試樣四周進行防水處理，獲得防水加固試樣； 第三步生物表皮樣本傾斜濺射以製作導電層
參見圖2所示，(A)將經第二步處理後的防水加固試樣1以安裝角/ 為45° ~ 60°安裝在旋轉工作檯2上，同時保證防水加固試樣按順鱗片方向向上放置，如圖4 所示，圖中箭頭方向為順鱗片方向；
(B) 選取靶材，並將靶材分別安裝在A夾具3、 B夾具4上；
(C) 對濺射室5抽真空至真空度為2.0X lCr3P" ~3.6X 10-3Pfl ，充入工作氣 體(氬氣或者氮氣)；
6(D)設定工作壓力為0.8戶" 1.5Pa、濺射功率為50『 250『、旋轉工作 臺2轉速為5Wmin 30r/min,然後對防水加固試樣1進行磁控濺射沉積 200 min 800min後獲得電鑄試樣6j
靶材可以是銀、鎳、鋁、銅單體金屬材料，也可以是鎳鈷合金材料；
第四步超聲脫氣
將第三步製得的電鑄試樣6放入超聲槽內進行10min 20min的超聲脫氣處 理； ' 第五步脈衝電鑄製作複製模板
參見圖3所示，(A)將經第四步處理後的電鑄試樣6放入電鑄槽12中，作為 電鑄時的陰極用；
(B) 調節脈衝電源11輸出波形為方波，脈衝頻率為400他 2000他，脈衝 寬度為0.05ms ~ 1.25 w ;
(C) 在電流密度為0.5J/c/m2 15J/6/w2條件下，電鑄時間20/z 50/ 製得 電鑄有鱗生物表皮；
第六步脫模得複製模板
將第五步製得的電鑄有鱗生物表皮放入溫度為85°C IO(TC的去離子水中加熱 5min 10min後脫豐莫，得到複製模板。
實施例 1 : 製作闊口真鯊魚皮銅複製模板 第一步製作有鱗生物表皮樣本
(A) 將市售闊口真鯊魚皮作為生物樣本。首先在魚體側面部位割取50X 50mm 新鮮鯊魚皮，去除皮下組織並用蒸餾水反覆清洗3次；然後將洗淨的短尾真鯊魚皮 在2.5%戊二醛溶液中化學固定6/;,化學固定溫度4。C，製得固定試樣表皮；
(B) 將經(A)步驟製得的固定試樣表皮釆用去離子水清洗4次後，將其依次 放入濃度50%乙醇溶液中脫水30min 、濃度75。/。乙醇溶液中脫水30min 、濃度95% 乙醇溶液中脫水30min、濃度100。/。乙醇溶液中脫水30min，製得脫水試樣表皮；
(C) 將經(B)步驟製得的脫7jC試樣表皮在6CTC條件下烘製得含水率 質量百分比為6。/。的有鱗生物表皮樣本；
為能夠使闊口真鯊魚皮保持平整，不皺縮、不翹曲，在固定、脫水、乾燥環節中 將其鋪展開繃在一面板上進行處理。第二步有鱗乾燥試樣表皮樣本加固及防水
選取有機玻璃平板作為背襯；
將經第一步製得的有鱗乾燥試樣表皮粘貼在背襯上，形成加固試樣； 然後採用環氧樹脂膠對加固試樣四周進行防水處理，獲得防水加固試樣； 第三步生物表皮樣本傾斜濺射以製作導電層
(A) 將經第二步處理後的防水加固試樣l以安裝角P為45°安裝在旋轉工作 臺2上，同時保證防水加固試樣按順鱗片方向向上放置；
(B) 選取純度大於99.99。/。的純銅作為靶材，並將靶材分別安裝在A夾具3、 B夾具4上；
(C) 對濺射室5抽真空至真空度為2.0XlO-spa，充入工作氣體Jr氣；
(D) 設定工作壓力為1.5Pfl、濺射功率為150『、旋轉工作檯2轉速為 15r/min ，然後對防水加固試樣1進行磁控濺射沉積600min後獲得電鑄試樣6;
第四步超聲脫氣
將第三步製得的電鑄試樣6放入超聲槽內進行20min的超聲脫氣處理； 第五步脈衝電鑄銅製作複製模板
(A) 將經第四步處理後的電鑄試樣6放入電鑄槽12中，作為電鑄時的陰極用，
所用電鑄銅鑄液體系配方及操作條件如表所示；
(B) 調節脈衝電源11輸出波形為方波，脈衝頻率為1250他，脈衝寬度為
(C) 在電流密度為8^4/^2條件下，電鑄時間20A製得電鑄有鱗生物表皮；
電鑄銅鑄液體系配方及操作條件
成分或操作條件含量及要求
硫酸銅250 g/丄
硫酸60 g/丄
葡萄糖(整平劑)30 g/丄
陽極純銅板(>99.5%)
溫度25。C
電流密度8爿/d附2第六步脫模得複製模板
將第五步製得的電鑄有鱗生物表皮放入溫度為95。C的去離子水中加熱10min 後脫模，得到複製模板。
實施.例 2 : 製作小吻四鰭旗魚魚皮鎳複製模板 第一步製作有鱗生物表皮樣本
(A) 將購入的小吻四鰭旗魚魚皮割取40x40mm經去離子水清洗6次，然後 將洗淨的原生物表皮在2.5y。戊二醛溶液中化學固定8/;,化學固定溫度2。C，製得 固定試樣表皮；
(B) 將經(A)步驟製得的固定試樣表皮釆用去離子水清洗4次後，將其依次 放入濃度50%乙醇溶液中脫水20 min 、濃度75%乙醇溶液中脫水20 min 、濃度95% 乙醇溶液中脫水20min、濃度100。/。乙醇溶液中脫水20min，製得脫水試樣表皮；
(C) 將經(B)步驟製得的脫水試樣表皮在5CTC條件下烘10/2，製得含水率 質量百分比為10。/。的有鱗生物表皮樣本；
為能夠使小吻四鰭旗魚魚皮保持平整，不皺縮、不翹曲，在固定、脫水、乾燥環 節中將其鋪展開繃在一面板上進行處理。
第二步有鱗乾燥試樣表皮樣本加固及防水 選取有機玻璃平板作為背襯；
將經第一步製得的有鱗乾燥試樣表皮粘貼在背襯上，形成加固試樣； 然後採用環氧樹脂膠對加固試樣四周進行防水處理，獲得防水加固試樣； 第三步生物表皮樣本傾斜濺射以製作導電層
(A) 將經第二步處理後的防水加固試樣1以安裝角/ 為60°安裝在旋轉工作 臺2上，同時保證防水加固試樣按順鱗片方向向上放置；
(B) 選取純度大於99.99%的純銅作為靶材，並將靶材分別安裝在A夾具3、 B夾具4上；
(C) 對濺射室5抽真空至真空度為3.0XlCr3^，充入工作氣體^r氣；
(D) 設定工作壓力為1.2Pa、濺射功率為100『、旋轉工作檯2轉速為 20Wmin,然後對防水加固試樣1進行磁控濺射沉積300min後獲得電鑄試樣6;第四步超聲脫氣
將第三步製得的電鑄試樣6放入超聲槽內進行15min的超聲脫氣處理； 第五步脈衝電鑄鎳製作複製模板
(A) 將經第四步處理後的電鑄試樣6放入電鑄槽12中，作為電鑄時的陰極用， 所用電鑄鎳鑄液體系配方及操作條件如表所示；
(B) 調節脈衝電源11輸出波形為方波，脈衝頻率為2000/fe，脈衝寬度為 0.1附5 j
(C) 在電流密度為5^/^^條件下，電鑄時間30/ 製得電鑄有鱗生物表皮；
微電鑄鎳鑄液體系配方及操作條件
成分或操作條件_含量及要求
硫酸鎳 350 g"
氯化鎳 50 g"
硼酸 45 g/￡
十二烷基磺酸鈉(潤溼劑) 0.09 g"
糖精(光亮劑) 1.5 g/丄
陽極 純鎳板(>99.5%)
溫度 45°C
電流密度_5扁附2_
第六步脫模得複製模板
將第五步製得的電鑄有鱗生物表皮放入溫度為9(TC的去離子水中加熱lOmin 後脫模，得到複製模板。
權利要求
1、一種採用脈衝電鑄方法製作有鱗生物表皮形貌複製模板的複製方法，其特徵在於有下列複製工藝步驟第一步製作有鱗生物表皮樣本(A)將購入的原有鱗生物表皮經去離子水清洗3～6次後，將其在質量百分比濃度為2.5％戊二醛溶液中化學固定6～8h，化學固定溫度0～4℃，製得固定試樣表皮；(B)將經(A)步驟製得的固定試樣表皮採用去離子水清洗3～6次後，將其依次放入濃度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，製得脫水試樣表皮；(C)將經(B)步驟製得的脫水試樣表皮在50～70℃條件下烘8～12h，製得含水率質量百分比為5～10％的有鱗生物表皮樣本；第二步有鱗乾燥試樣表皮樣本加固及防水選取非金屬硬質平板作為背襯；所述背襯可以是有機玻璃、玻璃；將經第一步製得的有鱗乾燥試樣表皮粘貼在背襯上，形成加固試樣；然後採用環氧樹脂膠對加固試樣四周進行防水處理，獲得防水加固試樣；第三步生物表皮樣本傾斜濺射以製作導電層(A)將經第二步處理後的防水加固試樣(1)以安裝角β為45°～60°安裝在旋轉工作檯(2)上；(B)選取靶材，並將靶材分別安裝在A夾具(3)、B夾具(4)上；(C)對濺射室(5)抽真空至真空度為2.0×10-3Pa～3.6×10-3Pa，充入工作氣體；(D)設定工作壓力為0.8Pa～1.5Pa、濺射功率為50W～250W、旋轉工作檯(2)轉速為5r/min～30r/min，然後對防水加固試樣(1)進行磁控濺射沉積200min～800min後獲得電鑄試樣(6)；靶材可以是銀、鎳、鋁、銅單體金屬材料，也可以是鎳鈷合金材料；第四步超聲脫氣將第三步製得的電鑄試樣(6)放入超聲槽內進行10min～20min的超聲脫氣處理；第五步脈衝電鑄製作複製模板(A)將經第四步處理後的電鑄試樣(6)放入電鑄槽(12)中，作為電鑄時的陰極用；(B)調節脈衝電源(11)輸出的波形為方波，脈衝頻率為400Hz～2000Hz，脈衝寬度為0.05ms～1.25ms；(C)在電流密度為0.5A/dm2～15A/dm2條件下，電鑄時間20h～50h製得電鑄有鱗生物表皮；第六步脫模得複製模板將第五步製得的電鑄有鱗生物表皮放入溫度為85℃～100℃的去離子水中加熱5min～10min後脫模，得到複製模板。
2、 根據權利要求1所述的有鱗生物表皮形貌複製模板的複製工藝，其特徵在於第 一步中的原有鱗生物表皮是金槍魚魚皮、鯊魚魚皮、鱘魚魚皮、旗魚魚皮或者箭魚魚皮。
3、 根據權利要求1所述的有鱗生物表皮形貌複製模板的複製工藝，其特徵在於制 得的複製模板直接作為複製仿生減阻蒙皮的模具。
4、 根據權利要求1所述的有鱗生物表皮形貌複製模板的複製工藝，其特徵在於制 得複製模板與原有鱗生物表皮形貌具有90%~95%逼真度。
全文摘要
本發明公開了一種採用脈衝電鑄方法製作有鱗生物表皮形貌複製模板的複製方法，該複製方法先將原生物表皮製成生物表皮乾燥樣本，然後進行磁控濺射沉積金屬導電層，最後採用脈衝電鑄製得複製模板。應用本發明製得的複製模板，不僅可以用於復型翻模製得仿生減阻蒙皮，而且可以直接用以在各種管道的內壁表面壓印複製出仿生減阻表面，該仿生減阻表面具有與原始生物表皮形貌90％以上的逼真度，能夠有效地降低管壁阻力，提高管道的輸送能力。
文檔編號C25D1/10GK101487130SQ200910076509
公開日2009年7月22日 申請日期2009年1月6日 優先權日2009年1月6日
發明者張德遠, 翔 李, 李元月, 連志陽, 鑫 韓 申請人:北京航空航天大學