CN102849205B - 一种多变环境下仿鲨鱼减阻表面结构调控制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明为一种多变环境下仿鲨鱼减阻表面结构调控制造方法，共有三大步骤：步骤一：制备原始比例鲨鱼皮生物阴模板；步骤二：依据应用环境需求设计所需制造的变形仿鲨鱼形貌参数；步骤三：依据应用环境制备变比例仿生减阻蒙皮。应用本发明制得的变比例仿生鲨鱼皮形貌减阻蒙皮具有与原始鲨鱼表皮形貌完全一致的功能结构，但却具有不同的形貌参数。应用本发明制作仿生减阻蒙皮，可根据应用对象的常用速度、外表面的不同部位以及介质粘度等参数调整蒙皮表面形貌的尺寸，使仿鲨鱼减阻蒙皮的减阻效果处于最佳状态。这在仿生制造技术领域内具有较好的实用价值和广阔的应用前景。

Description

一种多变环境下仿鲨鱼减阻表面结构调控制造方法

技术领域

本发明涉及一种多变环境下仿鲨鱼减阻表面结构调控制造方法，更特别地说，是指一种结合生物复制成形技术与变形复制成形方法根据不同应用环境条件制作仿生鲨鱼皮形貌减阻蒙皮的制备方法。属于生物仿生制作领域。

背景技术

运载工具在行驶过程中，能源动力都用于克服行驶阻力，而对于大部分运载工具而言，表面摩擦阻力一般均占到总阻力的30％以上，对某些运载工具而言摩擦阻力甚至高达总阻力的80％。因此，选用合理的方法克服表面与介质之间的摩擦阻力对于减少能源消耗具有重要意义。通常采用的减阻办法是在运载工具与流体介质相接触的表面贴附具有减阻效果的蒙皮。鲨鱼表面特殊的形貌具有性能优异的减阻效果，模仿鳖鱼皮的减阻机理、制造仿鳖鱼减阻表皮己成为国内外研究的热点。

在现有技术条件下，通常采用在运载工具表面贴敷单一减阻功能形貌的蒙皮起到减阻作用。但存在的问题是，大量实验证明，确定的沟槽尺寸是在一定的流速区间内具有减阻效果，低于或者超过流速区间可能产生增阻效果。但在运载工具行驶过程中，由于外形曲线的特点，表面不同部位存在着流速不同的现象，同时，不同速度下对蒙皮减阻形貌的要求也不相同。因此，仅仅依赖生物原型减阻形貌以及单一减阻形貌均很难满足运载工具复杂多变的环境条件需求。

变形调控制备就是依据应用环境条件设计合理的仿生减阻形貌参数，在对鲨鱼皮形貌表面高精度复制的基础上，对减阻形貌进行缩放调整，根据运载工具表面不同区域的速度特点，以变比例复制的方法，制作仿生减阻蒙皮，以适应运载工具表面的不同流速，达到最佳减阻效果。

发明内容

1、目的：本发明的目的是提供一种多变环境下仿鲨鱼减阻表面结构调控制造方法，它是一种利用可变形材料制作阴模板，从而改变生物原型表面形貌以适应不同环境条件的仿鳖鱼皮形貌减阻蒙皮的变形制备工艺。该工艺对具有鲨鱼皮形貌的阴模板进行缩放调控，将成形材料倾倒入依据环境条件进行形貌变形的印模板中，待成形材料固化后脱模，制得表面形貌参数改变后的变形仿鲨鱼皮形貌减阻蒙皮。本发明的变形复制工艺借助鲨鱼皮表面的独特外形和结构特点，在对鳖鱼皮形貌实现精确复制的基础上，通过对阴模板进行缩放调控，进一步改变鲨鱼皮形貌的几何参数，最终制得符合环境需求的变形仿生鲨鱼皮形貌减阻蒙皮。

2、技术方案：本发明一种多变环境下仿鲨鱼减阻表面结构调控制造方法，该方法具体步骤如下：

步骤一：制备原始比例鲨鱼皮生物阴模板

（A）将裁切下来的鲨鱼皮先用清水冲洗3～5遍，再用去离子水冲洗2～3遍，完成鲨鱼皮的清洗；

（B）用钉板将鲨鱼皮绷紧在刚性底板上，这样既可以保证固定后鲨鱼皮依然保持平整，又可以避免传统重物压平法对其鳞片结构的破坏；

（C）在通风柜中将已经绷紧并清洗后的鲨鱼皮完全浸泡在2.5％的戊二醛溶液中，然后在4℃的恒温环境中放置6h以上；

（D）将固定后的鲨鱼皮先用浓度为4％磷酸缓冲液漂洗10min，再用清水和去离子冲洗5遍，然后依次浸泡于50％的乙醇15min、75％的乙醇15min、95％的乙醇15min、100％的乙醇10min，完成鲨鱼皮的梯度脱水；

（E）将脱水后的鲨鱼皮放在60℃的烘箱中烘5-7h，直至鲨鱼皮完全干燥，从而完成鲨鱼皮预处理；

（F）在真空状态下（1×10^-3Pa）向经过预处理的鲨鱼皮表面浇注可变形材料，如聚二甲基硅氧烷（PDMS），保持在真空状态下20min以上，使PDMS在真空状态下充分流平。然后将鲨鱼皮生物模板从真空干燥箱内取出，待PDMS在室温固化后脱模，制得原始比例鲨鱼皮生物阴模板。

步骤二：依据应用环境需求设计所需制造的变形仿鲨鱼形貌参数

将仿鲨鱼减阻蒙皮应用于在介质中运动的物体，其沟槽尺寸必须处于某一特定值时蒙皮才能取得最佳减阻效果，而该沟槽尺寸最重要的两个因素就是沟槽的宽度和深度。由于鲨鱼皮表面经过长期的自然进化选择，沟槽的深宽比已经处于最佳减阻范围内，即0.3~1之间，因此，采用以鲨鱼生物原型为变形基板的制备方法时，只需确定深度和宽度中的一个尺寸，即可使得整体沟槽尺寸处于最优减阻范围内。通常采用确定沟槽宽度的方法来进行尺寸调整。这一宽度值与物体的速度、长度以及介质粘度有关，计算方法如公式1所示：

$s=\frac{16v}{U}\sqrt{\frac{2}{C_f}}---\left(1\right)$

其中，s为沟槽宽度，U为来流速度、υ为介质运动粘度，C_f为摩阻系数。通常状态下C_f的理论公式如式（2）所示，其中Re为雷诺数，Re＝UL/υ，L为物体的几何特征尺寸。

$C_f=\frac{0.455}{{\left(\log \mathrm{Re}\right)}^{2.58}}-\frac{1700}{\mathrm{Re}}---\left(2\right)$

根据应用对象的工作环境参数计算所需减阻蒙皮的最佳几何参数，为下一步制作不同尺寸的变比例仿生减阻蒙皮提供依据，从而使由此制备出的变形仿鲨鱼皮形貌减阻蒙皮在应用对象的工作环境下能达到最佳减阻状态。

步骤三：依据应用环境制备变比例仿生减阻蒙皮

（A）依据应用对象的工作环境参数确定最终的减阻蒙皮表面形貌几何参数。这些参数包括应用对象所处的流体介质状态、介质粘度、运动速度、对象外形尺寸等，从而根据这些参数，依据上面提到的计算公式，确定最终应用的蒙皮表面沟槽宽度及相对应的沟槽深度调控参数；

（B）将步骤一中制备的PDMS材料的原始比例鲨鱼皮生物阴模板放置于密闭容器之中；

（C）向密闭容器中注入变形溶剂（如正己烷），使阴模板完全浸没在变形溶剂中。

（D）详细记录变形材料（PDMS）在变形溶剂中的变形参数，生成变形曲线，以此为依据实现对表面形貌参数的精确缩放控制。

（E）保证容器的密封性能，将其静置一定时间，使其表面形貌发生缩放变化，该时间由所需调整的几何参数决定；

（F）将密闭容器中的变形溶剂含量调整为预定浓度，该浓度依据变形参数确定，在此浓度下向阴模板浇注成形材料；

（G）当成形材料固化后进行脱模，得到符合应用环境条件的仿生鲨鱼皮形貌减阻蒙皮。

3、优点及功效：本发明提出的一种多变环境下仿鲨鱼减阻表面结构调控制造方法，其优点在于：（1）可以调控鲨鱼皮形貌尺寸制备出适应环境需要的减阻蒙皮；（2）可以保持鲨鱼皮形貌的原始结构，从而产生比简化减阻形貌优异的减阻效果；(3)通过刺激由变形材料制备的阴模板进行变形操作方便、可控性好，可以通过试验建立鳖鱼皮形貌尺寸与变形刺激时间及浓度之间的关系，从而实现对鲨鱼皮表面沟槽尺寸的精确调控；(4)操作流程简单，蒙皮制造效率高，成本低廉、适用于实际生产应用。

附图说明

图1为本发明制作变比例仿生鲨鱼皮形貌减阻蒙皮的流程图

图2为鲨鱼皮预处理固定装置示意图

图3为原始比例鲨鱼皮样本示意图

图4为PDMS在不同浓度正己烷气氛下变形率与时间关系图

图5为不同浓度正己烷气氛下PDMS所能达到的变形率曲线图

图6为变比例仿生减阻蒙皮示意图

图7为依据应用环境制备变比例仿生减阻蒙皮流程图

具体实施方式

下面将结合附图和实施例对本发明做进一步的详细说明。

参见图1所示，本发明为一种多变环境下仿鲨鱼减阻表面结构调控制造方法，该方法具体步骤如下：

步骤一：制备滚压阴模板装置

（A）裁取鲨鱼皮200×100mm，分别用清水和去离子水冲洗3-5遍，完成鲨鱼皮的清洗；

（B）为保证固定后鲨鱼皮依然保持平整及避免传统重物压平法对其鳞片结构的破坏，沿鲨鱼皮一周订上钉子，将其绷紧在木框上，如图2所示；

（C）将清洗后的鲨鱼皮完全浸泡在2.5％的戊二醛溶液中，在4℃的恒温环境中放置，7h，完成鲨鱼皮的固定；

（D）将固定后的鲨鱼皮先用浓度为4％磷酸缓冲液漂洗10min，再用清水和去离子冲洗5遍，然后依次浸泡于50％的乙醇15min、75％的乙醇15min、95％的乙醇15min、100％的乙醇10min，完成鲨鱼皮的梯度脱水；

（E）将脱水后的鲨鱼皮放在60℃的烘箱中烘6h，直至鲨鱼皮完全干燥，从而制成了鲨鱼皮样本，如图3。

（F）在真空状态下（1×10^-3Pa）向经过预处理的鲨鱼皮表面浇注可变形材料，如聚二甲基硅氧烷（PDMS），保持在真空状态下20min以上，使PDMS在真空状态下充分流平。然后将鲨鱼皮生物模板从真空干燥箱内取出，待PDMS在室温固化后脱模，制得原始比例鲨鱼皮生物阴模板。

步骤二：依据应用环境需求设计所需制造的变形仿鲨鱼形貌参数

将仿鲨鱼减阻蒙皮应用于在介质中运动的物体，其沟槽宽度在某一值时蒙皮接近最佳减阻效果，这一宽度值与物体的速度、长度以及介质粘度有关。

拟将该减阻蒙皮用于某型号高速列车上，列车单节车厢长度约为20m，速度约为100m/s,列车在空气中行驶，行驶环境压强为101.325kPa，温度为20℃。该条件下空气运动粘度为14.8×10-6m2/s，根据以上工作环境参数计算蒙皮达到最佳减阻状态所需的表面沟槽宽度。

计算方法如下所示：

该列车运动时的雷诺数 $\mathrm{Re}=\frac{\mathrm{UL}}{v}=\frac{100m/s\×20m}{14.8\×{10}^{-6}{m}^2/s}=135.14\×{10}^6$

该列车的摩阻系数 $C_f=\frac{0.455}{{\left(\log \mathrm{Re}\right)}^{2.58}}-\frac{1700}{\mathrm{Re}}=\frac{0.455}{{(\log 135.14\×{10}^6)}^{2.58}}-\frac{1700}{135.14\×{10}^6}=0.002029$

因此该列车所需的最佳减阻沟槽宽度为：

$s=\frac{16\mathrm{\υ}}{U}\sqrt{\frac{2}{C_f}}=\frac{16\×14.8\×{10}^{-6}{m}^2/s}{100m/s}\sqrt{\frac{2}{0.002029}}=74.35\×{10}^{-6}m=74.35\mathrm{\μm}$

根据由上面得到的列车工作环境参数计算出的所需减阻蒙皮最佳减阻沟槽宽度为74.35μm，因为鲨鱼原型的深宽比基本固定，因此仅需按照沟槽宽度进行调整变形即可。由对鲨鱼原型的观察可知，在下一步制作变比例仿生减阻蒙皮时，仅需将鲨鱼原型放大34％即可使得由此制备出的变形仿鲨鱼皮形貌减阻蒙皮在该列车的工作环境下能达到最佳减阻状态。

步骤三：依据应用环境制备变比例仿生减阻蒙皮

（A）依据上面提到的列车工作环境参数确定最终的减阻蒙皮表面形貌沟槽尺寸宽度为74.35μm，即需要对原型放大34％；

（B）依据该几何参数，对照变形材料变形曲线确定缩放调控应在使用正己烷作为变形溶剂时，采用0.85μg/ml的浓度，变形时间为4小时，见图4和图5。

（C）将步骤一中制备的PDMS材料的原始比例鲨鱼皮生物阴模板放置于密闭容器之中；

（D）向密闭容器中注入正己烷，使阴模板完全浸没在正己烷液体中。

（E）保证容器的密封性能，将其静置4小时，使其表面形貌发生放大变形；

（F）将密闭容器中的正己烷含量调整为预定浓度，即0.85μg/ml，在此浓度下向阴模板浇注成形材料；

（G）当成形材料固化后进行脱模得到符合应用环境条件的仿生鲨鱼皮形貌减阻蒙皮，如图6，整体实施过程如图7所示。

综上，即可得到适用于上述某型号列车的变比例仿生鲨鱼皮形貌减阻蒙皮，使其在工作环境下达到最佳减阻效果。

Claims (1)

1.一种多变环境下仿鲨鱼减阻表面结构调控制造方法，其特征在于：该方法具体步骤如下：

步骤一：制备原始比例鲨鱼皮生物阴模板

(A)将裁切下来的鲨鱼皮先用清水冲洗3～5遍，再用去离子水冲洗2～3遍，完成鲨鱼皮的清洗；

(B)用钉板将鲨鱼皮绷紧在刚性底板上，这样既可以保证固定后鲨鱼皮依然保持平整，又可以避免传统重物压平法对其鳞片结构的破坏；

(C)在通风柜中将已经绷紧并清洗后的鲨鱼皮完全浸泡在2.5％的戊二醛溶液中，然后在4℃的恒温环境中放置6h以上；

(D)将固定后的鲨鱼皮先用浓度为4％磷酸缓冲液漂洗10min，再用清水和去离子水冲洗5遍，然后依次浸泡于50％的乙醇15min、75％的乙醇15min、95％的乙醇15min、100％的乙醇10min，完成鲨鱼皮的梯度脱水；

(E)将脱水后的鲨鱼皮放在60℃的烘箱中烘5-7h，直至鲨鱼皮完全干燥，从而完成鲨鱼皮预处理；

(F)在1×10^-3Pa的真空状态下向经过预处理的鲨鱼皮表面浇注可变形材料聚二甲基硅氧烷即PDMS，保持在真空状态下20min以上，使PDMS在真空状态下充分流平，然后将鲨鱼皮生物模板从真空干燥箱内取出，待PDMS在室温固化后脱模，制得原始比例鲨鱼皮生物阴模板；

步骤二：依据应用环境需求设计所需制造的变形仿鲨鱼形貌参数

将仿鲨鱼减阻蒙皮应用于在介质中运动的物体，其沟槽尺寸必须处于某一特定值时仿鲨鱼减阻蒙皮才能取得最佳减阻效果，而该沟槽尺寸最重要的两个因素就是沟槽的宽度和深度；由于鲨鱼皮表面经过长期的自然进化选择，沟槽的深宽比已经处于最佳减阻范围内，即0.3～1之间，因此，采用以鲨鱼生物原型为变形基板的制备方法时，只需确定深度和宽度中的一个尺寸，即可使得整体沟槽尺寸处于最优减阻范围内；通常采用确定沟槽宽度的方法来进行尺寸调整，这一宽度值与物体的速度、长度以及介质粘度有关，计算方法如公式1所示:

$s=\frac{16\mathrm{\ν}}{U}\sqrt{\frac{2}{C_f}}---\left(1\right)$

其中，s为沟槽宽度，U为来流速度、υ为介质运动粘度，C_f为摩阻系数；通常状态下C_f如式(2)所示，其中Re为雷诺数，Re＝UL/υ，L为物体的几何特征尺寸；

$C_f=\frac{0.455}{{\left(\log \mathrm{Re}\right)}^{2.58}}-\frac{1700}{\mathrm{Re}}---\left(2\right)$

根据应用对象的工作环境参数计算所需仿鲨鱼减阻蒙皮的最佳几何参数，为下一步制作不同尺寸的仿鲨鱼减阻蒙皮提供依据，从而使由此制备出的仿鲨鱼减阻蒙皮在应用对象的工作环境下能达到最佳减阻状态；

步骤三：依据应用环境制备仿鲨鱼减阻蒙皮

(A)依据应用对象的工作环境参数确定最终的仿鲨鱼减阻蒙皮表面形貌几何参数，这些参数包括应用对象所处的流体介质状态、介质粘度、运动速度和对象外形尺寸，从而根据这些参数，依据计算公式(1)、(2)，确定最终应用的仿鲨鱼减阻蒙皮表面沟槽宽度及相对应的沟槽深度调控参数；

(B)将步骤一中制备的PDMS材料的原始比例鲨鱼皮生物阴模板放置于密闭容器之中；

(C)向密闭容器中注入变形溶剂正己烷，使阴模板完全浸没在变形溶剂中；

(D)详细记录变形材料PDMS在变形溶剂中的变形参数，生成变形曲线，以此为依据实现对表面形貌参数的精确缩放控制；

(E)保证容器的密封性能，将其静置预定时间，使其表面形貌发生缩放变化，该时间由所需调整的几何参数决定；

(F)将密闭容器中的变形溶剂含量调整为预定浓度，该浓度依据变形参数确定，在此浓度下向阴模板浇注成形材料；

(G)当成形材料固化后进行脱模，得到符合应用环境条件的仿鲨鱼减阻蒙皮。