[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

摘要

本发明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，它有四大步骤：步骤一：制作鲨鱼皮生物模板；步骤二：制作硅橡胶弹性阴模板；步骤三：制作变形仿鲨鱼形貌减阻蒙皮并研究规律；步骤四：根据应用对象需求制造变形仿鲨鱼形貌减阻蒙皮。应用本发明制得的弹性阴模板具有与原始鲨鱼表皮形貌95％以上的相似度，应用本发明制作仿鲨鱼减阻蒙皮，可根据应用对象的常用速度、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接近最佳状态。它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。

主权项

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，其特征在于：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，其表面是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，鲨鱼皮形貌的横截面为圆弧形，纵截面为鳞片叠压形成的楔形。步骤二：制作硅橡胶弹性阴模板利用真空倾倒装置在真空状态下向鲨鱼皮生物模板表面浇注硅橡胶；(A)将步骤一制得的鲨鱼皮生物模板(114)放置在真空倾倒装置的底座(101)处，再将硅橡胶和固化剂均匀混合后装入烧杯(111)中，此时旋转盒(110)在支撑杆(105)的作用下保持水平，然后将定时振动器(109)定好时间后放置在斜面(107)上，定时的长短参考真空干燥箱抽真空至1×10 3Pa需要的时间而设定；(B)将真空倾倒装置放入真空干燥箱中抽真空至1×10 3Pa，此后定时振动器(109)产生振动从斜面滑下，带动牵引线(108)使旋转盒(110)发生发生翻转，旋转盒(110)在使烧杯(111)中的硅橡胶倾倒在鲨鱼皮生物模板(114)表面；(C)待浇注完成后，再将鲨鱼皮生物模板保持在真空状态下20min以上，使硅橡胶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，待硅橡胶在室温固化后脱模，制得弹性阴模板；在脱模时需要按鳞片排列顺序揭模并沿鳞片反方向拔模，借助鳞片的翻转变形和硅橡胶的弹性优势实现顺利脱模；步骤三：制作变形仿鲨鱼形貌减阻蒙皮并研究规律(A)将弹性阴模板拉伸至一定比例，并固定在压板上，将阴模板(24)拉伸至一定比例后，用压板(23)将其压在底板(21)上，并拧上螺栓(22)固定紧；拉伸阴模板时有两种方式、沿鲨鱼皮沟槽方向的拉伸为纵向拉伸，垂直于沟槽方向的拉伸为横向拉伸；(B)借助真空倾倒装置，在真空度为1×10 3Pa的状态下向硅橡胶表面浇注填料，方式与步骤二中制作阴模板的方法相似；待填料固化后脱模，得到变形仿鲨鱼形貌减阻蒙皮；在脱模时需要按鳞片排列顺序揭模并沿鳞片反方向拔模，使蒙皮与弹性阴模板顺利分离；变形仿鲨鱼形貌减阻蒙皮的表面沟槽宽度与拉伸的方式和拉伸率有关；为获得拉伸方式和拉伸率对变形仿鲨鱼形貌减阻蒙皮表面沟槽宽度的影响，应分别以横向、纵向两种拉伸方式，按照拉伸率10％、20％～100％依次拉伸阴模板并在真空状态下浇注填料以制作变形仿鲨鱼皮形貌减阻蒙皮；用触针式轮廓扫描仪对各种拉伸率下各变形仿鲨鱼皮形貌减阻蒙皮进行测量，建立蒙皮的沟槽宽度与拉伸率之间的定量关系；步骤四：根据应用对象需求制造变形仿鲨鱼形貌减阻蒙皮将仿鲨鱼减阻蒙皮应用于在流体介质中运动的物体，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，计算方法如公式1所示： s = 16 υ U 2 C f - - - ( 1 ) 其中，s为沟槽宽度，U为来流速度、v为介质的运动粘度，Cf为摩阻系数，通常状态下Cf的理论公式如式(2)所示，其中，Re为雷诺数，Re＝UL/v，L为物体的几何特征尺寸； C f = 0.455 ( log Re ) 2.58 - 1700 Re - - - ( 2 ) 根据应用对象的工作环境参数计算所需减阻蒙皮的最佳宽度值，参考步骤三测出的蒙皮沟槽宽度与拉伸率之间的定量关系，将阴模板拉伸至指定的宽度制作变形仿鲨鱼皮形貌减阻蒙皮，从而使变形仿鲨鱼皮形貌减阻蒙皮在应用对象的工作环境下能接近最佳减阻状态。