[发明专利]一种自清洁气动减阻微纳复合小肋结构

说明书

本发明公开了一种自清洁气动减阻复合小肋结构，属于MEMS(微机电系统)技术领域。该结构包括：表面具有宽度在30微米以下的小肋结构，所有小肋结构沿伸展方向互相平行。整个表面均匀地分布有低表面能粗糙纳米级结构。可实现具有自清洁、流体减阻的复合功能。本发明的有益效果是：通过抑制流向涡的发展，减少壁面附近的内外动量交换，降低黏性阻力。具备一定的自清洁超疏水性能。本发明在提取鲨鱼盾鳞的减阻沟槽结构及荷叶表面自清洁乳突结构的基础上，对结构进行了简化和复合，设计了一种新的复合结构，在减阻小肋结构上表面制造超疏水突触结构，使得该复合结构同时具有气动减阻、自清洁的功能。

技术领域

本发明涉及一种基于MEMS(微机电系统)技术的自清洁气动减阻微纳复合小肋结构。

背景技术

研究表明大型亚音速飞机、水面或水下航行器的黏性阻力占其总阻力的绝大部分，因此，如何降低这类航行器的黏性阻力是减阻的重要研究方向。实践证明通过边界层中层流和湍流混合控制技术减小黏性阻力具有较好的工程应用潜力。通过改变表面结构实现边界层湍流控制是上述技术中很有前景的一条技术线路，其中研究得最为广泛的是源于仿鲨鱼皮的小肋减阻技术。

自1979年左右以来，以美、德等发达国家为代表的多个研究团队开展了大量关于小肋减阻的研究。研究发现，鲨鱼的表面均有规则分布的盾鳞，在皮肤表面形成具有珐琅质的脊，每片盾鳞片上都有顺着流向排列整齐的V形或者U形微沟槽，使边界层整个湍动变化相对光滑表面更小，从而有可能降低整个航行器的阻力。

以专利号为CN102343674A、名为《具有柔性壁和仿鲨鱼皮微沟槽的复合减阻蒙皮的制作方法》和专利号为CN102145567A名为《基于鲨鱼皮表面和基体结构的仿生减阻膜材及其制备方法》为代表的一系列专利均是以鲨鱼皮为生物模板的柔性仿鲨鱼皮微沟槽结构蒙皮的设计和制作方法。虽然这类方法能够复现生物结构表面复杂的复合结构特点，但是不具备自清洁的功能，其减阻性能容易在被污染后损失。

为了实现自清洁的功能，以专利号CN103881120A，名为《一种仿荷叶超疏水自清洁表面的制备方法》和专利号CN101691466A，名为《一种球形突起微结构表面防污材料的制备方法》为代表的一系列专利，可制得表面能较低的结构材料，可有效实现表面自清洁功能，虽然可能兼顾具备水下减阻的性能，但是基本不具备气动减阻的功能。

因此，让小肋减阻技术在尽量保持气动减阻性能的同时具备自清洁的功能，是小肋减阻技术应用于工程实践的关键问题之一。

发明内容

本发明的目的是：为了解决原有小肋技术气动减阻和自清洁功能不能同时具备的问题，提出一种自清洁气动减阻微纳复合小肋结构。

该结构的特点包括：表面具有宽度在30微米以下的小肋结构，所有小肋结构沿伸展方向互相平行，小肋之间的间距为小肋宽度的15到25倍，小肋的高度为其宽度的0.3倍到1倍；小肋结构的排列方式可以是连续的(如图1所示)，小肋结构有间隙但是间隙排列在一条直线上(如图2所示)，小肋结构有间隙但是间隙排列不在一条直线上(如图3所示)。此外，在所有小肋结构的顶端均匀地分布着纳米级突触粗糙结构。基底材料层上表面可以是光滑平面，或者是光滑波形曲面。

本发明的有益效果是：

从微观空气动力学的角度出发，除了小肋结构本身，在材料表面不应有更多的结构，否则无谓的增加气固接触面积反而容易增加阻力。为了引入自清洁超疏水的性能，我们通过仅在小肋结构顶端引入模仿荷叶的纳米级突触结构来实现，而且让突触结构和小肋结构融为一体。其中由于纳米级突触结构仅在小肋结构顶端，所以小肋结构仍然可以抑制流向涡的发展，破涡减阻，而引入的突触结构阵列，由于纳米级的粗糙结构对气固接触面积变大而引起增阻效应并不明显，因此可以兼顾自清洁和减阻性能。因此，本发明设计的鲨鱼盾鳞沟槽结构与荷叶表面突触结构融合的全新复合结构，使得该复合结构同时具有气动减阻、自清洁的功能，解决了现有小肋减阻技术其减阻结构被污染后性能损失的问题。

附图说明