[发明专利]电活性智能材料展向可变形减阻表面及其控制方法

说明书

本发明公开了一种电活性智能材料展向可变形减阻表面，包括介电弹性体薄膜、柔性电极层，所述介电弹性体薄膜在上表面中部加工有横截面几何尺寸为宽2‑20μm高10‑100μm间距20‑200μm的直型微小肋条，两侧分布有柔性电极阵列。根据本发明的电活性智能材料展向可变形减阻表面，通过柔性电极阵列的通断电使减阻表面在展向上发生变形，可以：(1)改变直肋条的展向间距，(2)形成正弦结构，(3)同时改变间距并形成正弦结构。其达到的有益效果是柔性电极层随流场环境变化，通电、断电或改变接收的电压信号大小，从而单一或同时改变肋条之间的间隔、正弦结构的波长、幅值，使得在不同流场环境下均可明显减小近壁面的湍流摩擦阻力，且都能提供较佳的减阻效果。

技术领域

本发明涉及飞行器减阻设计的技术领域，具体涉及一种电活性智能材料展流向可变形减阻表面。

背景技术

飞行器在飞行过程中有较大一部分能耗用以克服空气阻力，其中湍流摩擦阻力占据了相当大的比例。对民航客机来说，在巡航条件下，总阻力的50-60％是由湍流摩擦阻力引起的。这意味着，飞行器的湍流摩擦减阻具有一系列的积极影响：更少的燃油消耗、更少的尾气排放、更大的飞行航程。因此，围绕着湍流摩擦减阻，国内外学者提出了各种减阻的方式，主要可分为被动减阻方式和主动减阻方式。

微小肋条结构作为至今为止研究最为广泛的被动减阻方式之一，大量的实验与数值计算结果充分证明了其具有减阻效果。沿流向的直肋条表面被最先发现具有2％-8％的减阻率，肋高h和肋间s是影响减阻的主要因素，之后，沿流向的正弦肋条表面被证明具有10％-12％的减阻率，高出直肋条表面40％-50％，肋条在流向的波数λ和幅值A也成为了影响减阻的重要因素。

然而微小肋条结构作为被动减阻方式，其在制造完成后便只能在给定的参数范围内起到减阻的效果，无法在更广的飞行速度范围和更复杂的流场流动中主动适应流场环境的变化起到更好的减阻作用。如果能够设计出一种可以主动变形的肋条结构表面以主动适应变化的流场环境，将有助于进一步提高减阻效益。例如中国专利申请CN106585949A中公开的一种仿生鲨鱼皮减阻结构，涉及通过介电弹性体的变形以适应变化的流场，但其只能改变肋高h，无法改变肋间距s，更无法改变肋条在不同位置的空间形状。又例如中国专利申请 CN107323602A中公开的一种三明治结构的智能水凝胶材料减阻表面，涉及通过智能水凝胶材料改变肋h与肋间距s，但依旧无法改变肋条在三维空间上的形状，以适应局部更为复杂的流场环境。且水凝胶材料的特性更适用于水下航行器，难以适应飞行器高空飞行的恶劣环境。

因此，亟需提供一种新的能够在展向改变肋条间距和空间形状的新型减阻表面。

发明内容

本发明的目的在于，针对现有微小肋条结构减阻表面，无法更灵活的改变肋条的展向间距和在流向上的空间形状从而适应复杂多变的三维流场环境以进一步提高湍流减阻率的问题，公开了一种电活性智能材料展向可变形减阻表面。

本发明为解决上述问题采取的技术方案是：一种电活性智能材料展向可变形减阻表面，包括介电弹性体薄膜、柔性电极层；

所述介电弹性体薄膜在上表面中部加工有直型微小肋条阵列，横截面几何尺寸优选为：宽范围为2-20μm，高范围为10-100μm，间距范围为20-200μm；

所述介电弹性体薄膜的两侧分布有附着柔性电极层的矩形凹槽。其中柔性电极层以阵列的形式分布于介电弹性体薄膜两侧的上下表面。

所述电活性智能材料展向可变形减阻表面展向两侧经预拉伸后进行固定，使整个减阻表面在展向上处于张紧状态。

所述介电弹性体薄膜为硅橡胶复合材料、丙烯酸酯弹性体。

所述柔性电极层以一侧的上下两块柔性电极层为一对，上表面柔性电极层接收高压直流电信号，下表面柔性电极层接地。上表面柔性电极层通电时，上下两块柔性电极层产生麦克斯韦应力挤压中间的介电弹性体薄膜夹层，使介电弹性体薄膜夹层在麦克斯韦应力和薄膜面内的弹性恢复力下带动薄膜中部发生展向的形变。