[发明专利]基于表面形貌尺寸可调的变形仿鲨鱼减阻蒙皮的制作方法

说明书

(一)技术领域

本发明涉及一种基于表面形貌尺寸可调的变形仿鲨鱼减阻蒙皮的制作方法，更特别地说，是指一种通过对低阻生物表皮形貌进行变形复制以制作变形仿鲨鱼皮形貌减阻蒙皮的制备工艺，属于仿生制造技术领域。

(二)背景技术

减少固液之间的壁面摩擦阻力，节约能源消耗一直是人类追求的目标。有效降低航行器、管道等运输工具的表面阻力以提高速度、降低燃料消耗，对于国民经济和国防安全都具有重要意义。通常采用的减阻办法是在运输工具与流体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，模仿鲨鱼皮的减阻机理、制造仿鲨鱼减阻表皮已成为国内外研究的热点。

在现有技术条件下，对于仿鲨鱼皮形貌减阻蒙皮的制造主要存在两种方式，一种是在对鲨鱼表皮微观形貌进行抽象简化的基础上，借助微细机械加工(如微雕刻、微铣削、微锻压等)、高能束加工(激光烧结)、半导体加工、微快速原型等方法制造出直沟槽的仿鲨鱼减阻形貌。US Patents：4753401、4930729、4863121、5386955、5606201分别公开了采用仿形加工方法成型出仿鲨鱼减阻形貌的制备方法。采用上述仿制技术手段不仅成型效率低、成本高，而且所仿制出的仿鲨鱼物逼真程度差、减阻率低，难以实现工程化应用。另一种方式是对生物表皮直接复制以成型出逼近生物表面形貌的仿鲨鱼皮形貌减阻蒙皮。CN101081532、CN101487130分别公开了用热压印法和电铸法制作高逼真仿鲨鱼皮形貌阴模板的方法，这种方法成型效率高、成本低、减阻效果好，但存在的问题是：鲨鱼皮形貌是由带有沟槽的鳞片密排而成，其沟槽宽度等几何要素直接影响到减阻效果的最佳适用速度范围，沟槽宽度较小的鳞片适合于速度较高的物体减阻，沟槽宽度较大的鳞片适合于速度较低的物体减阻，而鲨鱼表面鳞片的沟槽尺寸相对比较固定，难以满足多种应用对象的需求。

变形复制是在对鲨鱼皮形貌精确复制的基础上，再通过拉伸阴模板改变鲨鱼皮表面形貌的沟槽尺寸，然后翻膜制备出变形后的鲨鱼皮形貌。其原理是借助硅橡胶阴模板在拉伸时对表面形貌的影响，调节鲨鱼皮形貌的尺寸以适应应用对象的需求。应用变形复制工艺制作变形仿鲨鱼皮形貌减阻蒙皮的目的是在保持鲨鱼皮形貌减阻效果和生物复制成形工艺优势的同时，扩大生物复制鲨鱼皮形貌的减阻适用范围。

(三)发明内容

1、目的：本发明的目的之一是提出一种高精度复制鲨鱼皮表面形貌制作弹性阴模板的工艺，该工艺先将鲨鱼表皮制成生物模板，然后借助真空倾倒装置在真空状态下浇注硅橡胶，待硅橡胶固化后脱模制得鲨鱼皮形貌弹性阴模板。该弹性阴模板可以直接浇注填料制得与原始鲨鱼皮的形貌似度在95％以上的逼真仿鲨鱼皮形貌减阻蒙皮，也可以拉伸变形后浇注填料制得变形仿鲨鱼皮形貌减阻蒙皮。

本发明的另一目的是提出一种利用拉伸弹性阴模板改变其表面形貌以制作变形仿鲨鱼皮形貌减阻蒙皮的工艺。该工艺将鲨鱼皮形貌弹性阴模板横向或纵向拉伸至一定比例后固定，在真空状态下浇注填料，待填料固化后脱模，制得表面形貌的沟槽尺寸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，在对鲨鱼皮形貌实现精确复制的基础上，通过拉伸阴模板进一步改变鲨鱼皮形貌的沟槽尺寸，最终制得符合环境需求的变形仿鲨鱼皮形貌减阻蒙皮。

2、技术方案：本发明一种基于表面形貌尺寸可调的变形仿鲨鱼减阻蒙皮的制作方法，如图1所示，该方法具体步骤如下：

步骤一：制作鲨鱼皮生物模板

(A)将购入的鲨鱼表皮用去离子水清洗3～6次，然后将洗净的鲨鱼表皮在2.5％戊二醛溶液中化学固定6～8h，化学固定温度0～4℃，制得固定试样表皮；

(B)将经(A)步骤制得的固定试样表皮采用去离子水清洗3～6次，然后将洗净的固定试样表皮依次放入浓度50％乙醇溶液中脱水20～30min、浓度75％乙醇溶液中脱水20～30min、浓度95％乙醇溶液中脱水20～30min、浓度100％乙醇溶液中脱水20～30min，制得脱水试样表皮；

(C)将经(B)步骤制得的脱水试样表皮在50～70℃条件下烘8～12h，制得鲨鱼皮生物模板，其表面形貌如图2A所示。由图可见，鲨鱼皮表面由带有脊状凸起的盾鳞所覆盖，大量盾鳞通过覆瓦式排列在鲨鱼皮表面形成顺流向的沟槽(图2A)，鲨鱼皮形貌的横截面为圆弧形(图2B)，纵截面为鳞片叠压形成的楔形(图2C)，纵横方向如图2A中所示。

为防止鲨鱼皮皱缩和翘曲，在固定、脱水、干燥环节中将鲨鱼皮固定在硬质板上；