[发明专利]一种基于摩擦性能的软硬相间形貌仿生材料的制备方法

说明书

本发明属于仿生材料领域，具体的说是一种基于摩擦性能的软硬相间形貌仿生材料的制备方法。该方法包括以下步骤：步骤一、确定弹性模量不同的两种材料的配比；步骤二、确定弹性模量大的材料的基本体尺寸；步骤三、根据步骤一和步骤二得出的弹性模量不同的两种材料的配比和基本体尺寸采用激光加工、3D打印、物理共混的方法制备出软硬相间仿生材料。本发明制备的软硬相间形貌仿生材料方法简单，有优秀的耐磨性能、拉伸性能、抗冲击性能，其中以蜣螂、蚯蚓等土壤动物体表为原型，表面分布有一定规律的仿生耦合单元体的仿生材料，表现了出色的减阻、耐磨特性，并用于工程实际中，取得了较好的经济效益和社会效益。

技术领域

本发明属于仿生材料领域，具体的说是一种基于摩擦性能的软硬相间形貌仿生材料的制备方法。

背景技术

自然界生物在亿万年的协同进化中，为满足生存需求而不断适应环境，其结构和功能已经达到近乎完美的程度。体表是生物与外界交换能量和物质的重要器官，同时保护生物免于外部环境的侵害。生物体根据所处环境，在进化中不断调整体表形态，造就出了各种各样的软硬相间形貌及结构，被赋予了优良的减阻、耐磨特性。天然生物材料，如竹材、潮间带贝类和蛇腹鳞等的摩擦学特性远远超出人们的想象。

软硬相间形貌仿生材料是以生物体特性为原型将弹性模量不同的两种材料在一定配比下有序或无序排列而形成的材料，通过模仿天然生物材料的形貌、结构、材料配比、尺寸、分布规律等因素进行仿生设计。采用激光、3D打印、物理共混方法，在模具表面制备出具有一定分布规律的软硬相间仿生结构，可以有效地降低模具与铸件间的粘附力，并兼具耐磨、抗热疲劳等特性，取得了较好的经济效益和社会效益，同时，采用激光加工技术在材料表面加工软硬相间仿生形貌，提高了材料的强韧性、耐磨性、润滑性等。我们定义弹性模量小的材料为软材料，弹性模量大的材料为硬材料,软硬相间形貌仿生材料设计涉及多个方面，软硬材料属性、“软—硬”相间结构形式、软硬材料配比、软硬材料基本尺寸等方面的不同均会影响软硬相间形貌仿生材料的摩擦属性，合理的设计是保证软硬相间形貌仿生材料具有相应特性的基础。

现代工业中，摩擦具有两面性，既有有害的一面，又有有益的一面。通常认为摩擦是有害的，因为摩擦必然伴随磨损，生产设备的失效60％是由摩损导致的，而且摩擦会消耗大量的能量，世界能源的1/2—1/3是由于摩擦浪费掉的。但是摩擦也有有益的一面，工程中存在诸多利用摩擦、增加摩擦为人类服务的例子，如摩擦传动、制动阀门、离合器、车辆的驱动轮、螺栓螺母等。因此，工程实际中合理的设计材料的摩擦系数至关重要。因此，根据所需的摩擦系数制备出软硬相间形貌仿生材料也是值得研究的。

发明内容

本发明提供了一种基于摩擦性能的软硬相间形貌仿生材料的制备方法，通过设计两种不同弹性模量的软材料与硬材料的配比及其不同表面形式，制造出来的软硬相间形貌仿生材料表现出了可控的摩擦性能，解决了现有市场上设计软硬相间新貌仿生材料的空白。

本发明技术方案结合附图说明如下：

一种基于摩擦性能的软硬相间形貌仿生材料的制备方法，该方法包括以下步骤：

步骤一、确定弹性模量不同的两种材料的配比；定义弹性模量小的材料为软材料，弹性模量大的材料为硬材料；根据期望的软硬相间形貌仿生材料的材料属性及所需的摩擦系数，软硬材料的配比可根据以下公式计算：

其中，c％为软材料的体积百分比；f为软硬相间仿生材料的摩擦系数；f_s为软材料的摩擦系数，f_h为硬材料的摩擦系数；E_s为软材料的弹性模量；E_h为硬材料的弹性模量；

步骤二、确定弹性模量大的材料的基本体尺寸；根据期望的软硬相间形貌仿生材料具体形式和表面形貌尺寸即可得出；