CN102381871B - 内置有减阻剂的仿鲨鱼复合减阻表面的制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及仿生技术领域，具体涉及一种减阻表面的制作方法。内置有减阻剂的仿鲨鱼复合减阻表面的制作方法，包括如下步骤：1)硅藻土预处理。2)硅藻土滤筛。3)硅藻土酸蚀处理。4)高逼真仿鲨鱼鳞片沟槽形貌复制成型。5)仿鲨鱼鳞片沟槽形貌约束下的硅藻土热压固化直接成型。6)硅藻土固化表面吸附缓释减阻剂，制得仿鲨鱼复合减阻表面。由于采用上述技术方案，本发明在仿鲨鱼复合减阻表面吸附减阻剂，不仅能够发挥仿鲨鱼鳞片沟槽的减阻功能，而且还能够同时发挥仿鲨鱼缓释自润滑粘液的减阻功能。
Description
技术领域
本发明涉及仿生技术领域，具体涉及一种减阻表面的制作方法。
背景技术
鲨鱼是海洋中的游泳健将，其在水中的巡游速度约为5 kph，在追捕猎物时可瞬时爆发到70 kph。鲨鱼的高游速除了与其标准的流线型形体有关外，还与其特殊的微米级鳞片沟槽结构以及它体表分泌的粘液关系密切，两者的复合作用称为“鲨鱼皮效应”。当前，模仿鲨鱼表皮减阻机理、制造高逼真仿鲨鱼复合减阻表面已成为国内外研究的热点，在水下航行器和长输管道减阻领域具有重要的应用价值。
利用减阻剂减阻是一种高效的减阻方法，广泛应用于水下航行器表面或长距离输送管道（输油、气、水等）内壁面的流体减阻。常用的减阻剂主要有聚丙烯酰胺（PAM）和水性环氧树脂等，尽管减阻效能高，但价格通常较为昂贵。利用减阻剂减阻与利用沟槽等结构型减阻方法相比，具有减阻效率高（减阻效率通常在15%以上）、便于实施等优势。该减阻方法的实施目前主要采用在航行器表面或长输管道内壁面直接释放或涂覆减阻剂的方式，往往使得大量的减阻剂不能有效作用于湍流有效区，存在减阻剂消耗快、用量大、浪费严重、需不断补充等不足，因而使用和维护成本相对较高。
另外，硅藻土是硅藻的古代残骸沉积物生成的硅质沉积岩，主要由古代硅藻及其它微生物(放射虫、海绵等)的硅质遗骸组成，主要化学成份是二氧化硅。硅藻土在自然界中作为矿产大量存在，因而来源广泛、价格低廉。由于硅藻土具有细腻、质轻、孔隙度大、吸附性和渗透性强、化学性质稳定、耐磨、耐热、有一定强度等特点，是一种具有重要应用价值的材料。
发明内容
本发明的目的在于，提供一种内置有减阻剂的仿鲨鱼复合减阻表面的制作方法，以解决上述技术问题。
本发明所解决的技术问题可以采用以下技术方案来实现：
内置有减阻剂的仿鲨鱼复合减阻表面的制作方法，其特征在于，包括如下步骤：
1）硅藻土预处理，得到硅藻土混合物；
2）硅藻土滤筛：
（A）将1）制得的硅藻土混合物在室温条件下加入去离子水，然后使用30μm～40μm的滤布进行过滤，滤掉粒径在30μm以上的硅藻土混合物；
（B）将余下的硅藻土混合物在室温条件下用N2吹干，得到第四硅藻土混合物；
3）硅藻土酸蚀处理：室温条件下，将2）得到的第四硅藻土混合物加入到质量百分比浓度为10%～20%的HF溶液中酸蚀处理10min～20min，然后使用5μm～20μm的滤布进行过滤，得到第五硅藻土混合物；
4）高逼真仿鲨鱼鳞片沟槽形貌复制成型：
（A）采用生物表皮复制模板的复制方法复制出金属材质为镍、厚度为2.5mm～3.5mm的镍质仿鲨鱼鳞片沟槽阴模板；
（B）将镍质仿鲨鱼鳞片沟槽阴模板在室温条件下放入去离子水中，在功率为800W～1200W、工作频率为30KHz～50KHz的条件下超声清洗10min～20min，然后烘干待用；
5）仿鲨鱼鳞片沟槽形貌约束下的硅藻土热压固化直接成型：
（A）将3）制得的第五硅藻土混合物均匀放入热压模具内，并将热压模具置于热压固化约束成型装置内的电加热基座上；
（B）将4）制得的镍质仿鲨鱼鳞片沟槽阴模板的有鳞面朝下盖在热压模具内的第五硅藻土混合物上，然后在镍质仿鲨鱼鳞片沟槽阴模板背面再压上均压沙袋；
（C）将电加热基座升温至415℃～650℃，并在此温度范围内保持恒温；
（D）在均压沙袋上施加压力500～700kPa进行热压键合5h～10h，然后进行脱模；
（E）室温条件下将脱模后的硅藻土固化表面浸入去离子水中，在功率为800W～1200W、工作频率为30KHz～50KHz的条件下超声清洗10min～20min，然后用N2吹干，即得到具有高逼真仿鲨鱼鳞片沟槽形貌的硅藻土固化表面；
6）硅藻土固化表面吸附缓释减阻剂：
（A）室温条件下，将5）制得的硅藻土固化表面浸入去离子水中，在功率为800W～1200W、工作频率为30KHz～50KHz的条件下超声清洗10min～20min，然后用N2吹干；
（B）制备聚丙烯酰胺减阻剂水溶液；
（C）将干燥后的硅藻土固化表面完全浸入减阻剂水溶液，然后置于真空干燥箱内进行脱气处理10min～20min，然后取出，便制得仿鲨鱼复合减阻表面。
本发明采用上述工艺的硅藻土通过酸蚀和热压键合固化的方式将硅藻土固化成多孔表面，与传统的采用烧结的方式固化硅藻土相比，其固化强度在15MPa～25MPa，孔隙度在50%～70%。其固化后能保留多孔结构，所制得的硅藻土固化表面具有较大的孔体积、较强的吸附性和缓释性。本发明在固化硅藻土的同时，直接在其上复制仿鲨鱼鳞片形貌，其形貌逼真度在75％～85％。所制作的仿鲨鱼复合减阻表面不仅具有高逼真微米级仿鲨鱼鳞片沟槽形貌，能够发挥仿鲨鱼鳞片沟槽的减阻功能，而且还具有硅藻壳体的纳米级多孔微结构，能够同时发挥仿鲨鱼缓释自润滑粘液的减阻功能。从而实现提高水下航行器和长距离油气输送管道减阻能力的目的。
另外，本发明利用硅藻土固化表面来吸附和缓释减阻剂水溶液，以实现减阻。不仅能有效提高减阻剂水溶液的附着力和容持量，还能达到缓慢释放以使其全部作用于湍流有效区的目的。因而具有提高其利用效能、减少用量、降低使用和维护成本等优势。
步骤5）中的热压模具采用铅制成。根据要制作的仿鲨鱼复合减阻表面的形状不同，如平板状或圆管状，可根据需要任意更换该热压模具。
为便于脱模，步骤5）中，事先在热压模具内表面涂敷一层质量百分比浓度为80%的氮化硼水溶液。
为便于脱模，步骤5）中，事先在镍质仿鲨鱼鳞片沟槽阴模板的有鳞面上涂敷一层质量百分比浓度为80%的氮化硼水溶液。
聚丙烯酰胺减阻剂水溶液的制备方法如下：室温条件下，在去离子水中，边搅拌边慢慢加入聚丙烯酰胺（PAM）粉体颗粒，配制质量百分比浓度为2%的聚丙烯酰胺减阻剂水溶液。
步骤1）中，硅藻土预处理工艺可以采用常用的预处理方法，也可以采用如下硅藻土预处理步骤：
（A）室温条件下，将硅藻土在质量百分比浓度为1.5%～3.5%的HF溶液中浸泡处理3min~5min，然后使用5μm~20μm的滤布进行过滤，得到第一硅藻土混合物；
（B）将第一硅藻土混合物在温度为80℃~90℃条件下，在NH4、H2O2、H2O混合液（1：2：7）中浸泡处理10min~20min，然后使用5μm~20μm的滤布进行过滤，得到第二硅藻土混合物；
（C）将第二硅藻土混合物在室温条件下加入去离子水，在功率为800W~1200W、工作频率为30KHz~50KHz的条件下，超声清洗10min~20min，然后使用5μm~20μm的滤布进行过滤，得到第三硅藻土混合物。
有益效果：由于采用上述技术方案，本发明采用硅藻土固化成多孔表面并直接在其上复制仿鲨鱼鳞片形貌的方式得到的仿鲨鱼复合减阻表面，还在仿鲨鱼复合减阻表面吸附减阻剂后，不仅能够发挥仿鲨鱼鳞片沟槽的减阻功能，而且还能够同时发挥仿鲨鱼缓释自润滑粘液的减阻功能。
附图说明
图1为本发明的流程图；
图2为本发明热压固化约束成型时的结构示意图；
图3为本发明镍质仿鲨鱼鳞片沟槽阴模板表面微观形貌；
图4为本发明硅藻土固化表面微观形貌。
具体实施方式
为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体图示进一步阐述本发明。
参照图1，内置有减阻剂的仿鲨鱼复合减阻表面的制作方法，包括如下步骤：
第一步，硅藻土预处理，得到硅藻土混合物。硅藻土预处理工艺可以采用常用的预处理方法，也可以采用如下硅藻土预处理步骤：（A）室温条件下，将硅藻土在质量百分比浓度为1.5%～3.5%的HF溶液中浸泡处理3min~5min，然后使用5μm~20μm的滤布进行过滤，得到第一硅藻土混合物。（B）将第一硅藻土混合物在温度为80℃~90℃条件下，在NH4、H2O2、H2O混合液（1：2：7）中浸泡处理10min~20min，然后使用5μm~20μm的滤布进行过滤，得到第二硅藻土混合物。（C）将第二硅藻土混合物在室温条件下加入去离子水，在功率为800W~1200W、工作频率为30KHz~50KHz的条件下，超声清洗10min~20min，然后使用5μm~20μm的滤布进行过滤，得到第三硅藻土混合物。
第二步，硅藻土滤筛：（A）将第一步制得的硅藻土混合物在室温条件下加入去离子水，然后使用30μm～40μm的滤布进行过滤，滤掉粒径在30μm以上的硅藻土混合物。（B）将余下的硅藻土混合物在室温条件下用N2吹干，得到第四硅藻土混合物。
第三步，硅藻土酸蚀处理：室温条件下，将第二步得到的第四硅藻土混合物加入到质量百分比浓度为10%～20%的HF溶液中酸蚀处理10min～20min，然后使用5μm～20μm的滤布进行过滤，得到第五硅藻土混合物。
第四步，高逼真仿鲨鱼鳞片沟槽形貌复制成型：（A）采用生物表皮复制模板的复制方法复制出金属材质为镍、厚度为2.5mm～3.5mm的镍质仿鲨鱼鳞片沟槽阴模板。（B）将镍质仿鲨鱼鳞片沟槽阴模板在室温条件下放入去离子水中，在功率为800W～1200W、工作频率为30KHz～50KHz的条件下超声清洗10min～20min，然后烘干待用。生物表皮复制模板的复制方法可以采用现有的方法得到复制模板。参照图3，为采用脉冲电铸方法制作的镍质仿鲨鱼鳞片沟槽阴模板的微观结构示意图。
第五步，仿鲨鱼鳞片沟槽形貌约束下的硅藻土热压固化直接成型：参照图2，（A）将第三步制得的第五硅藻土混合物均匀放入热压模具1内，并将热压模具1置于热压固化约束成型装置内的电加热基座2上。热压模具1采用铅制成。根据要制作的仿鲨鱼复合减阻表面的形状不同，如平板状或圆管状，可根据需要任意更换该热压模具1。（B）将第四步制得的镍质仿鲨鱼鳞片沟槽阴模板3的有鳞面朝下盖在热压模具1内的第五硅藻土混合物上，然后在镍质仿鲨鱼鳞片沟槽阴模板3背面再压上均压沙袋4。（C）将电加热基座2升温至415℃～650℃，并在此温度范围内保持恒温。（D）在均压沙袋4上施加压力500～700kPa进行热压键合5h～10h，然后进行脱模。（E）室温条件下将脱模后的硅藻土固化表面浸入去离子水中，在功率为800W～1200W、工作频率为30KHz～50KHz的条件下超声清洗10min～20min，然后用N2吹干，即得到具有高逼真仿鲨鱼鳞片沟槽形貌的硅藻土固化表面。参照图4，为采用上述工艺制得的硅藻土固化表面的形貌结构示意图。
为便于脱模，第五步中，事先在热压模具内表面均匀涂敷薄薄的一层质量百分比浓度为80%的氮化硼水溶液。事先在镍质仿鲨鱼鳞片沟槽阴模板的有鳞面上均匀涂敷薄薄的一层质量百分比浓度为80%的氮化硼水溶液。
第六步，硅藻土固化表面吸附缓释减阻剂：（A）室温条件下，将第五步制得的硅藻土固化表面浸入去离子水中，在功率为800W～1200W、工作频率为30KHz～50KHz的条件下超声清洗10min～20min，然后用N2吹干。（B）制备聚丙烯酰胺减阻剂水溶液。聚丙烯酰胺减阻剂水溶液的制备方法如下：室温条件下，在去离子水中，边搅拌边慢慢加入聚丙烯酰胺（PAM）粉体颗粒，配制质量百分比浓度为2%的聚丙烯酰胺减阻剂水溶液。（C）将干燥后的硅藻土固化表面完全浸入减阻剂水溶液，然后置于真空干燥箱内进行脱气处理10min～20min，然后取出，便制得仿鲨鱼复合减阻表面。
采用本发明制成的仿鲨鱼复合减阻表面可以直接应用于需要减阻的场所，比如设置在输送管道内壁上、水下航行器外表面。也可以将本发明的仿鲨鱼复合减阻表面经过浸入减阻剂、脱气等处理，得到能缓慢释放减阻剂的减阻表面，这样与现有的在需要减阻的表面直接涂覆减阻剂的方式比较，不仅能有效提高自润滑粘液的附着力和容持量，还能达到缓慢释放以使其全部作用于湍流有效区的目的。因而具有提高减阻剂利用效能、减少用量、降低使用和维护成本等优势。另外，本发明利用硅藻土固化表面来吸附和缓释减阻剂水溶液，以实现减阻。不仅能有效提高减阻剂水溶液的附着力和容持量，还能达到缓慢释放以使其全部作用于湍流有效区的目的。因而具有提高其利用效能、减少用量、降低使用和维护成本等优势。
以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。
Claims (5)
1.内置有减阻剂的仿鲨鱼复合减阻表面的制作方法，其特征在于，包括如下步骤：
1）硅藻土预处理，得到硅藻土混合物；
2）硅藻土滤筛：
（A）将1）制得的硅藻土混合物在室温条件下加入去离子水，然后使用30μm～40μm的滤布进行过滤，滤掉粒径在30μm以上的硅藻土混合物；
（B）将余下的硅藻土混合物在室温条件下用N2吹干，得到第四硅藻土混合物；
3）硅藻土酸蚀处理：室温条件下，将2）得到的第四硅藻土混合物加入到质量百分比浓度为10%～20%的HF溶液中酸蚀处理10min～20min，然后使用5μm～20μm的滤布进行过滤，得到第五硅藻土混合物；
4）高逼真仿鲨鱼鳞片沟槽形貌复制成型：
（A）采用生物表皮复制模板的复制方法复制出金属材质为镍、厚度为2.5mm～3.5mm的镍质仿鲨鱼鳞片沟槽阴模板；
（B）将镍质仿鲨鱼鳞片沟槽阴模板在室温条件下放入去离子水中，在功率为800W～1200W、工作频率为30KHz～50KHz的条件下超声清洗10min～20min，然后烘干待用；
5）仿鲨鱼鳞片沟槽形貌约束下的硅藻土热压固化直接成型：
（A）将3）制得的第五硅藻土混合物均匀放入热压模具内，并将热压模具置于热压固化约束成型装置内的电加热基座上；
（B）将4）制得的镍质仿鲨鱼鳞片沟槽阴模板的有鳞面朝下盖在热压模具内的第五硅藻土混合物上，然后在镍质仿鲨鱼鳞片沟槽阴模板背面再压上均压沙袋；
（C）将电加热基座升温至415℃～650℃，并在此温度范围内保持恒温；
（D）在均压沙袋上施加压力500～700kPa进行热压键合5h～10h，然后进行脱模；
（E）室温条件下将脱模后的硅藻土固化表面浸入去离子水中，在功率为800W～1200W、工作频率为30KHz～50KHz的条件下超声清洗10min～20min，然后用N2吹干，即得到具有高逼真仿鲨鱼鳞片沟槽形貌的硅藻土固化表面；
6）硅藻土固化表面吸附缓释减阻剂：
（A）室温条件下，将5）制得的硅藻土固化表面浸入去离子水中，在功率为800W～1200W、工作频率为30KHz～50KHz的条件下超声清洗10min～20min，然后用N2吹干；
（B）制备聚丙烯酰胺减阻剂水溶液；
（C）将干燥后的硅藻土固化表面完全浸入减阻剂水溶液，然后置于真空干燥箱内进行脱气处理10min～20min，然后取出，便制得仿鲨鱼复合减阻表面。
2.根据权利要求1所述的内置有减阻剂的仿鲨鱼复合减阻表面的制作方法，其特征在于：步骤5）中的热压模具采用铅制成。
3.根据权利要求1所述的内置有减阻剂的仿鲨鱼复合减阻表面的制作方法，其特征在于：为便于脱模，步骤5）中，事先在热压模具内表面涂敷一层质量百分比浓度为80%的氮化硼水溶液。
4.根据权利要求3所述的内置有减阻剂的仿鲨鱼复合减阻表面的制作方法，其特征在于：为便于脱模，步骤5）中，事先在镍质仿鲨鱼鳞片沟槽阴模板的有鳞面上涂敷一层质量百分比浓度为80%的氮化硼水溶液。
5.根据权利要求1所述的内置有减阻剂的仿鲨鱼复合减阻表面的制作方法，其特征在于：聚丙烯酰胺减阻剂水溶液的制备方法如下：室温条件下，在去离子水中，边搅拌边慢慢加入聚丙烯酰胺粉体颗粒，配制质量百分比浓度为2%的聚丙烯酰胺减阻剂水溶液。
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