專利名稱：：具有自潤滑溝槽復(fù)合減阻功能的仿鯊魚蒙皮及其制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明涉及一種仿鯊魚蒙皮及其制作方法，更特別地說，是指一種采用親水性材料制作出具有自潤滑溝槽復(fù)合減阻功能的仿鯊魚蒙皮及其制作方法。
背景技術(shù)：
：以仿鯊魚鱗片溝槽和體表粘液為核心內(nèi)容的仿鯊魚減阻表面制造技術(shù)是當(dāng)前研究的熱點(diǎn)和難點(diǎn)之一。以"鯊魚皮效應(yīng)"著稱的鯊魚經(jīng)過不斷自適應(yīng)、自學(xué)習(xí)和自組織而進(jìn)化成滿足自身生存需要、能對外部流體介質(zhì)進(jìn)行合理調(diào)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(shí)現(xiàn)高速巡游和快速機(jī)動。為此，人們嘗試各種手段，試圖模仿或再現(xiàn)鯊魚皮的減阻效果，伹其鱗片構(gòu)形機(jī)制、粘液分泌機(jī)制都是人類現(xiàn)有手段所難實(shí)現(xiàn)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(hù)它們防御菌類外，還可以減小邊界層摩擦，起著重要的減阻作用。當(dāng)鯊魚追捕獵食時，該粘液可快速溶于水，鯊魚借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(yīng)"。傳統(tǒng)的仿鯊魚溝槽減阻表面制造過程存在的成型質(zhì)量差、成形效率低、制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(dá)到8%左右，單純依靠溝槽減阻很難得到減阻率的進(jìn)一步大幅度提高;現(xiàn)有的減阻劑減阻方法存在著減阻劑浪費(fèi)大、利用率低、需要持續(xù)添加等問題；此外，現(xiàn)有減阻涂層很難與減阻溝槽相結(jié)合，一般常采用簡單的機(jī)械疊加方法，很難實(shí)現(xiàn)減阻率的顯著增加。為此，本發(fā)明將溝槽減阻功能與自潤滑減阻涂層的減阻功能進(jìn)行了復(fù)合，制備了具有自潤滑減阻功能的仿鯊魚溝槽減阻蒙皮。
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的之一是提供一種具有自潤滑溝槽復(fù)合減阻功能的仿鯊魚蒙皮，該仿鯊魚蒙皮上復(fù)制有微米級溝槽，且溝槽具有自潤滑性能。陰模采用硅橡膠，一方面有利于鯊魚表皮形貌被完整地復(fù)制，另一方面在制作仿鯊魚蒙皮過程中易于脫模。本發(fā)明的目的之二是提出一種釆用低溫抽氣制作具有自潤滑溝槽復(fù)合減阻功能的仿鯊魚蒙皮的方法。本發(fā)明是一種制備具有自潤滑溝槽復(fù)合減阻功能的仿鯊魚蒙皮的方法，該制作方法有如下步驟第一步制陰模(A)將硅橡膠均勻涂覆在鯊魚表皮上形成陰模預(yù)成型體，涂覆硅橡膠的厚度為1.5~3mm^(B)將陰模預(yù)成型體放入真空室中，抽真空度至1X10-42X10—4MPa,保持10~30min后取出；在壓力3000~5000Pa、固化溫度2235。C條件下加壓固化120~240min后，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涂覆在第一步制得的陰模的正面上形成預(yù)成型體，涂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制包括有下列步驟步驟A—1:將聚丙烯酰胺加入去離子水中，配制成濃度為1%2.5%(質(zhì)量百分比濃度)的聚丙烯酰胺水溶液；步驟A—2:在5070g的聚丙烯酰胺水溶液中加入10g的水性環(huán)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(huán)氧樹脂固化劑、0.7~0.9g的鄰苯二甲酸二丁酯，在轉(zhuǎn)速60120r/min,攪拌20~30min后得到呈液態(tài)的仿鯊魚蒙皮材料；(B)將預(yù)成型體放入真空室中，抽真空度至1X10-42X10—4MPa，保持10~30min后取出；在固化溫度60~100。C條件下固化1015h后，脫模得到具有復(fù)合減阻自潤滑溝槽的仿鯊魚蒙皮。本發(fā)明仿鯊魚蒙皮的優(yōu)點(diǎn)1、單純采用溝槽減阻目前可以達(dá)到的平均減阻率為8%;單純釆用自潤滑減阻涂層可以達(dá)到的平均減阻率約為12%。而本發(fā)明中的仿鯊魚蒙皮的平均減阻率則可以達(dá)到29%，使減阻率得到顯著提高。2、本發(fā)明中仿鯊魚蒙皮的溝槽減阻功能與自潤滑減阻功能的復(fù)合不是簡單的機(jī)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(fā)明中的仿鯊魚蒙皮制作方法可以直接將鯊魚皮表面的微米級鱗片溝槽結(jié)構(gòu)與自潤滑性能進(jìn)行結(jié)合，實(shí)現(xiàn)溝槽減阻與自潤滑減阻的復(fù)合。圖1是鯊魚表皮形貌的電鏡掃描照片。圖2是本發(fā)明制得陰模正面形貌的電鏡掃描照片。圖3是本發(fā)明制得仿鯊魚蒙皮正面形貌的電鏡掃描照片。圖4是本發(fā)明制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(fā)明制得的具有自潤滑溝槽的仿鯊魚蒙皮在空泡水筒實(shí)驗(yàn)室條件下的減阻率曲線。具體實(shí)施例方式下面將結(jié)合附圖和實(shí)施例對本發(fā)明做進(jìn)一步的詳細(xì)說明。本發(fā)明是一種制備具有自潤滑溝槽復(fù)合減阻功能的仿鯊魚蒙皮的方法,該制作方法有如下步驟第一步制陰禾莫(A)將硅橡膠均勻涂覆在鯊魚表皮上形成陰模預(yù)成型體，涂覆硅橡膠的厚度為1.53mmj(B)將陰模預(yù)成型體放入真空室中，抽真空度至1X10_4~2X10—4MPa，保持10~30min后取出；在壓力30005000Pa、固化溫度2235。C條件下加壓固化120240min后，脫模得到帶有鯊魚皮形貌的陰模；在本發(fā)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(jié)構(gòu)。第二步制仿鯊魚蒙皮(A)將仿鯊魚蒙皮材料均勻涂覆在第一步制得的陰，莫的正面上形成預(yù)成型體，涂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制包括有下列步驟步驟A—1:將聚丙烯酰胺加入去離子水中，配制成濃度為1%~2.5%(質(zhì)量百分比濃度)的聚丙烯酰胺水溶液；步驟A—2:在5070g的聚丙烯酰胺水溶液中加入10g的水性環(huán)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(huán)氧樹脂固化劑、0.70.9g的鄰苯二甲酸二丁酯，在轉(zhuǎn)速60120Wmin,攪拌2030min后得到呈液態(tài)的仿鯊魚蒙皮材料；(B)將預(yù)成型體放入真空室中，抽真空度至1X10—4~2XlO_4MPa,保持1030min后取出；在固化溫度60~100。C條件下固化10~15h后，脫模得到具有復(fù)合減阻自潤滑溝槽的仿鯊魚蒙皮。在本發(fā)明中，步驟A—1在配制過程中，注意邊加入聚丙烯酰胺邊進(jìn)行攪拌，開始時可以以80100r/min的攪拌速度進(jìn)行混合；隨著聚丙烯酰胺的加入，降低攪拌速度(4060Wmin)以免將聚丙烯酰胺高分子長鏈結(jié)構(gòu)攪斷，攪拌2030min左右得到質(zhì)量百分比濃度為1%2.5%的聚丙烯酰胺水溶液。在本發(fā)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，采用本發(fā)明方法制得的仿鯊魚蒙皮的表面保持了結(jié)構(gòu)的完整性，基本實(shí)現(xiàn)了在自潤滑涂層表面上對鱉魚鱗片結(jié)構(gòu)的高保真復(fù)制；且仿鯊魚蒙皮表面的溝槽為微米級溝槽，并具有自潤滑性能，仿鯊魚蒙皮的平均減阻率達(dá)到29%。本發(fā)明制造仿鯊魚蒙皮的工藝充分說明了采用生物復(fù)制成形技術(shù)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(jī)制，從而實(shí)現(xiàn)低阻生物表面幾何屬性和界面屬性的雙重仿生，這應(yīng)該成為仿生減阻表面制造技術(shù)未來的發(fā)展方向，無疑具有廣闊的應(yīng)用前景。實(shí)施例1:原材料的選取硅橡膠選取深圳市威加有機(jī)硅有限公司生產(chǎn)的RTV—2—7055硅橡膠預(yù)聚體和25#固化劑，混合比例為10:1。水性環(huán)氧樹脂選取浙江安邦新材料發(fā)展有限公司生產(chǎn)的AB—EP—44水性環(huán)氧樹脂乳液和AB—HGF水性環(huán)氧樹脂固化劑。第一步制陰模(A)將硅橡膠均勻涂覆在鯊魚表皮上形成陰模預(yù)成型體，涂覆硅橡膠的厚度為1.5mm;(B)將陰模預(yù)成型體放入真空室中，抽真空度至1.4X10—4MPa，保持20min后取出；在壓力5000Pa、固化溫度3(TC條件下加壓固化240min后，脫模得到帶有鯊魚皮形貌的陰模；真空室選用上海一恒科技有限公司生產(chǎn)的PZT—6020智能型真空干燥箱。第二步制仿鯊魚蒙皮(A)將仿鯊魚蒙皮材料均勻涂覆在第一步制得的陰模的正面上形成預(yù)成型體，涂覆仿鯊魚蒙皮材料的厚度為1mm;所述仿鯊魚蒙皮材料的配制包括有下列步驟步驟A—l:將聚丙烯酰胺加入去離子水中，配制成濃度為2%(質(zhì)量百分比濃度)的聚丙烯酰胺水溶液；步驟A—2:在65g的聚丙烯酰胺水溶液中加入10g的水性環(huán)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(huán)氧樹脂固化劑、0.8g的鄰苯二甲酸二丁酯，在轉(zhuǎn)速100r/min，攪拌25min后得到呈液態(tài)的仿鯊魚蒙皮材料；(B)將預(yù)成型體放入真空室中，抽真空度至1.4X10-4MPa,保持20min后取出；在固化溫度75"條件下固化15h后，脫t莫得到具有復(fù)合減阻自潤滑溝槽的仿鯊魚蒙皮。制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，采用本發(fā)明方法制得的仿鯊魚蒙皮的表面保持了結(jié)構(gòu)的完整性，基本實(shí)現(xiàn)了在自潤滑涂層表面上對鯊魚鱗片結(jié)構(gòu)的高保真復(fù)制；且仿鯊魚蒙皮表面的溝槽為微米級溝槽，并具有自潤滑性能。對上述制得的具有復(fù)合減阻自潤滑溝槽的仿鯊魚蒙皮在空泡水筒實(shí)驗(yàn)室(中國船舶科學(xué)研究中心CSSRC)進(jìn)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(xiàn)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A(chǔ)P'和A/V,按照D及-(AP'-AP加VA^'xlO(P/。計(jì)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(jì)算<table>tableseeoriginaldocumentpage8</column></row><table>根據(jù)表1得到試驗(yàn)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?？梢钥闯?，通過壓差流阻測試系統(tǒng)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(dá)到28.92%;隨水流速度的增加，減阻率先快速上升達(dá)到峰值平臺后再緩慢下降，在變化趨勢上與現(xiàn)有自潤滑涂層減阻規(guī)律基本相同。考慮到該壓差流阻測試系統(tǒng)具有2%的系統(tǒng)誤差，則實(shí)際最大減阻率將可能達(dá)到48.31%,平均減阻率將達(dá)到30.15%。實(shí)施例2:原材料的選取硅橡膠選取深圳市威加有機(jī)硅有限公司生產(chǎn)的RTV—2-7055硅橡膠預(yù)聚體和25#固化劑，混合比例為15:1。水性環(huán)氧樹脂選取浙江安邦新材料發(fā)展有限公司生產(chǎn)的AB—EP—44水性環(huán)氧樹脂乳液和AB—HGF水性環(huán)氧樹脂固化劑。第一步制陰模(A)將硅橡膠均勻涂覆在鯊魚表皮上形成陰模預(yù)成型體，涂覆硅橡膠的厚度為3mm}(B)將陰模預(yù)成型體放入真空室中，抽真空度至2X10-4MPa,保持15min后取出；在壓力3500Pa、固化溫度22。C條件下加壓固化150min后，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涂覆在第一步制得的陰模的正面上形成預(yù)成型體，涂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制包括有下列步驟步驟A—l:將聚丙烯酰胺加入去離子水中，配制成濃度為2.5%(質(zhì)量百分比濃度)的聚丙烯酰胺水溶液；步驟A—2:在50g的聚丙烯酰胺水溶液中加入10g的水性環(huán)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(huán)氧樹脂固化劑、0.9g的鄰苯二甲酸二丁酯，在轉(zhuǎn)速60Wmin，攪袢30min后得到呈液態(tài)的仿鯊魚蒙皮材料；(B)將預(yù)成型體放入真空室中，抽真空度至2X10—4MPa，保持30min后取出；在固化溫度IOCTC條件下固化10h后，脫模得到具有復(fù)合減阻自潤滑溝槽的仿鯊魚蒙皮。將釆用上述方法制備仿鯊魚蒙皮形貌與圖1進(jìn)行比對，其相似度為90%以上。采用本發(fā)明方法制得的仿鯊魚蒙皮的表面保持了結(jié)構(gòu)的完整性，基本實(shí)現(xiàn)了在自潤滑涂層表面上對鯊魚鱗片結(jié)構(gòu)的高保真復(fù)制；且仿鯊魚蒙皮表面的溝槽為微米級溝槽，并具有自潤滑性能，仿鯊魚蒙皮的平均減阻率達(dá)到29%。權(quán)利要求1.一種具有自潤滑溝槽復(fù)合減阻功能的仿鯊魚蒙皮，其特征在于該仿鯊魚蒙皮上復(fù)制有微米級溝槽，且溝槽具有自潤滑性能，且該仿鯊魚蒙皮的平均減阻率達(dá)到29％。2、一種制備具有自潤滑溝槽復(fù)合減阻功能的仿鯊魚蒙皮的方法，其特征在于包括有下列制備步驟第一步制陰模(A)將硅橡膠均勻涂覆在鯊魚表皮上形成陰模預(yù)成型體，涂覆硅橡膠的厚度為1.5~3mmj(B)將陰模預(yù)成型體放入真空室中，抽真空度至1X10—4~2X10—4MPa,保持1030min后取出；在壓力30005000Pa、固化溫度2235。C條件下加壓固化120240min后，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涂覆在第一步制得的陰模的正面上形成預(yù)成型體，涂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制包括有下列步驟步驟A—1:將聚丙烯酰胺加入去離子水中，配制成濃度為1%~2.5%(質(zhì)量百分比濃度)的聚丙烯酰胺水溶液；步驟A—2:在5070g的聚丙烯酰胺水溶液中加入10g的水性環(huán)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(huán)氧樹脂固化劑、0.70.9g的鄰苯二甲酸二丁酯，在轉(zhuǎn)速60120r/min，攪拌20~30min后得到呈液態(tài)的仿鯊魚蒙皮材料；(B)將預(yù)成型體放入真空室中，抽真空度至1X10_42X10-4MPa，保持10~30min后取出；在固化溫度6010(TC條件下固化1015h后，脫模得到具有復(fù)合減阻自潤滑溝槽的仿鯊魚蒙皮。3、根據(jù)權(quán)利要求2所述的制備具有自潤滑溝槽復(fù)合減阻功能的仿鯊魚蒙皮的方法，其特征在于硅橡膠是雙組分室溫硫化硅橡膠。4、根據(jù)權(quán)利要求2所述的制備具有自潤滑溝槽復(fù)合減阻功能的仿鯊魚蒙皮的方法，其特征在于水性環(huán)氧樹脂由水性環(huán)氧樹脂乳液和水性環(huán)氧樹脂固化劑組成。全文摘要本發(fā)明公開了一種具有自潤滑溝槽復(fù)合減阻功能的仿鯊魚蒙皮，該仿鯊魚蒙皮上復(fù)制有微米級溝槽，且溝槽具有自潤滑性能；仿鯊魚蒙皮由水性環(huán)氧樹脂與聚丙烯酰胺水溶液組成，10g的水性環(huán)氧樹脂中加入50～70g的聚丙烯酰胺水溶液；水性環(huán)氧樹脂由水性環(huán)氧樹脂乳液和水性環(huán)氧樹脂固化劑組成，為雙組分的環(huán)氧樹脂。本發(fā)明制造仿鯊魚蒙皮的工藝充分說明了采用生物復(fù)制成形技術(shù)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(jī)制，從而實(shí)現(xiàn)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制造技術(shù)未來的發(fā)展方向，具有廣闊的應(yīng)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(yōu)先權(quán)日2008年10月16日發(fā)明者張德遠(yuǎn),翔李,李元月,鑫韓申請人:北京航空航天大學(xué)