[发明专利]一种多变环境下仿鲨鱼减阻表面结构调控制造方法

摘要

本发明为一种多变环境下仿鲨鱼减阻表面结构调控制造方法，共有三大步骤：步骤一：制备原始比例鲨鱼皮生物阴模板；步骤二：依据应用环境需求设计所需制造的变形仿鲨鱼形貌参数；步骤三：依据应用环境制备变比例仿生减阻蒙皮。应用本发明制得的变比例仿生鲨鱼皮形貌减阻蒙皮具有与原始鲨鱼表皮形貌完全一致的功能结构，但却具有不同的形貌参数。应用本发明制作仿生减阻蒙皮，可根据应用对象的常用速度、外表面的不同部位以及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处于最佳状态。这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

一种多变环境下仿鲨鱼减阻表面结构调控制造方法，其特征在于：该方法具体步骤如下：步骤一：制备原始比例鲨鱼皮生物阴模板（A）将裁切下来的鲨鱼皮先用清水冲洗3～5遍，再用去离子水冲洗2～3遍，完成鲨鱼皮的清洗；（B）用钉板将鲨鱼皮绷紧在刚性底板上，这样既可以保证固定后鲨鱼皮依然保持平整，又可以避免传统重物压平法对其鳞片结构的破坏；（C）在通风柜中将已经绷紧并清洗后的鲨鱼皮完全浸泡在2.5％的戊二醛溶液中，然后在4℃的恒温环境中放置6h以上；（D）将固定后的鲨鱼皮先用浓度为4％磷酸缓冲液漂洗10min，再用清水和去离子冲洗5遍，然后依次浸泡于50％的乙醇15min、75％的乙醇15min、95％的乙醇15min、100％的乙醇10min，完成鲨鱼皮的梯度脱水；（E）将脱水后的鲨鱼皮放在60℃的烘箱中烘5‑7h，直至鲨鱼皮完全干燥，从而完成鲨鱼皮预处理；（F）在1×10‑3Pa的真空状态下向经过预处理的鲨鱼皮表面浇注可变形材料，如聚二甲基硅氧烷即PDMS，保持在真空状态下20min以上，使PDMS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PDMS在室温固化后脱模，制得原始比例鲨鱼皮生物阴模板；步骤二：依据应用环境需求设计所需制造的变形仿鲨鱼形貌参数将仿鲨鱼减阻蒙皮应用于在介质中运动的物体，其沟槽尺寸必须处于某一特定值时蒙皮才能取得最佳减阻效果，而该沟槽尺寸最重要的两个因素就是沟槽的宽度和深度；由于鲨鱼皮表面经过长期的自然进化选择，沟槽的深宽比已经处于最佳减阻范围内，即0.3~1之间，因此，采用以鲨鱼生物原型为变形基板的制备方法时，只需确定深度和宽度中的一个尺寸，即可使得整体沟槽尺寸处于最优减阻范围内；通常采用确定沟槽宽度的方法来进行尺寸调整，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 v U 2 C f - - - ( 1 ) 其中，s为沟槽宽度，U为来流速度、υ为介质运动粘度，Cf为摩阻系数；通常状态下 Cf如式（2）所示，其中Re为雷诺数，Re＝UL/υ，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几何参数，为下一步制作不同尺寸的变比例仿生减阻蒙皮提供依据，从而使由此制备出的变形仿鲨鱼皮形貌减阻蒙皮在应用对象的工作环境下能达到最佳减阻状态；步骤三：依据应用环境制备变比例仿生减阻蒙皮（A）依据应用对象的工作环境参数确定最终的减阻蒙皮表面形貌几何参数，这些参数包括应用对象所处的流体介质状态、介质粘度、运动速度和对象外形尺寸，从而根据这些参数，依据计算公式（1）、（2），确定最终应用的蒙皮表面沟槽宽度及相对应的沟槽深度调控参数；（B）将步骤一中制备的PDMS材料的原始比例鲨鱼皮生物阴模板放置于密闭容器之中；（C）向密闭容器中注入变形溶剂如正己烷，使阴模板完全浸没在变形溶剂中；（D）详细记录变形材料PDMS在变形溶剂中的变形参数，生成变形曲线，以此为依据实现对表面形貌参数的精确缩放控制；（E）保证容器的密封性能，将其静置预定时间，使其表面形貌发生缩放变化，该时间由所需调整的几何参数决定；（F）将密闭容器中的变形溶剂含量调整为预定浓度，该浓度依据变形参数确定，在此浓度下向阴模板浇注成形材料；（G）当成形材料固化后进行脱模，得到符合应用环境条件的仿生鲨鱼皮形貌减阻蒙皮。