[发明专利]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

说明书

技术领域

本发明涉及减阻材料，特别是涉及一种以鲨鱼皮为减阻模板的仿生减阻膜材。

背景技术

在自然界中，相对运动的物体之间不可避免地存在着摩擦阻力。有资料表明，一般的船舶在运动时，表面摩擦阻力约占总阻力的70～80％。就船舶和其它水下运动物体(如潜艇、鱼雷等)的表面减阻而言，人类已进行了长期不懈的努力，并从对游得最快的海洋生物鲨鱼、海豚的观察与研究中得到了很多启示。海洋中的速度之王-鲨鱼不仅具有完美的流线体形，使其游动时的形状阻力最少；其皮肤表面粗糙的微结构——三维互锁的盾甲鳞沟槽结构，也叫肋条(riblet)结构，对减阻也有较大的贡献。关于鲨鱼皮表面盾甲鳞沟槽结构的仿生与应用，国内外科学家们进行了大量的探索，取得了一些令人振奋的研究成果。例如，SPEEDO公司研制的“快皮”(FASTSKIN)仿鲨鱼皮泳衣在2000年悉尼奥运会上创造了奇迹，这种泳衣面料状似鲨鱼皮肤，其表面布满齿状V形凹槽，用这种材料制成的泳衣更加贴身，可使游泳者所受的总阻力减少4％。美国宇航局将类似鲨鱼皮的肋条结构应用于飞行器的表面以减少阻力，飞机的飞行阻力减少了6.6％。近几十年来，人们关于鲨鱼皮肤减阻的研究，主要集中于其表面坚硬的沟槽型非光滑表面-盾甲鳞结构。结合前人对海豚高速游动时其弹性皮肤发生的形貌变化及其作用以及柔性壁的减阻机理，鲨鱼的弹性皮肤也对其高速的游动有一定的贡献。根据生物的进化理论和规律，鲨鱼在自然界中经过长期的进化，其皮肤结构对于减阻的作用已进化到了近乎完美的程度。因此，如何将材料表面微结构与弹性基体结合成一个和谐的整体，优化仿鲨鱼皮减阻材料的结构，是一个需要探索的、值得深入研究的问题。正是基于这一认识，本发明以鲨鱼皮为减阻模板，在弄清鲨鱼皮基体(表皮与皮下组织)的结构和力学性能特点以及鲨鱼皮表面微结构的基础上，根据双重减阻(非光滑表面减阻和柔性壁减阻)原理对材料进行仿生设计。通过选择适宜的高分子材料为基质，将材料的力学性能模拟与表面微复制方法相结合，以制备能够实现鲨鱼皮双重减阻效应的仿生减阻功能材料，开拓了将材料表面微结构与高分子膜材的基体结合成一个完整、和谐的仿生减阻材料体系的新途径。

发明内容

本发明的目的在于：提供一种具有非光滑表面减阻和柔性壁减阻效应的仿鲨鱼皮的减阻功能膜材及其制备方法。

本发明仿生减阻膜材具有与真实鲨鱼皮相似的结构及力学性能，能够表现出类似鲨鱼皮的双重减阻效应，是一种新型的仿生减阻功能材料。突破了以往仅通过表面盾甲鳞沟槽结构的复制来设计和制备仿生减阻材料的局限性，将表面微复制技术与材料基体的力学性能仿生相结合，使所制备的仿生减阻膜材的基体和表面分别体现了鲨鱼皮基体的力学特性和表面的盾甲鳞沟槽结构，实现了鲨鱼皮的双重减阻效应，开拓了将材料表面微结构与高分子膜材的基体结合成一个完整、和谐的材料体系的新途径。本发明仿生减阻膜材的基体具有鲨鱼皮基体的力学特性，其表面构建有鲨鱼皮表面的盾甲鳞沟槽结构，可表现出鲨鱼皮的双重减阻效应。

本发明的目的通过如下技术方案实现：

一种基于鲨鱼皮表面和基体结构的仿生减阻膜材的制备方法，包括以下步骤：

(1)弹性表层的制备：以天然橡胶和三元乙丙橡胶作为高分子材料基体，分别加入橡胶助剂制备天然橡胶母炼胶和三元乙丙橡胶母炼胶，将两种母炼胶中的任一种或两者共混，作为弹性表层基材；以质量份数计，天然橡胶母炼胶的配方组成为：天然橡胶100份、轻质碳酸钙20～40份、硫磺1～2份、促进剂N-环已基-2-苯骈噻唑次磺酰胺CZ0.5～1份、促进剂二甲胺磺酰吩噻嗪DM 0.8～1份、ZnO 5份、硬酯酸1～2份和硅烷偶联剂1～3份；三元乙丙橡胶母炼胶的配方组成为：三元乙丙橡胶100份、SiO₂20～40份、ZnO 5份、硬酯酸1～2份、防老剂9111.5份、促进剂N-环已基-2-苯骈噻唑次磺酰胺1～1.5份、过氧化二异丙苯DCP 1～1.5份、促进剂DM 1～2份；