專利名稱：基于表面形貌尺寸可調的變形仿鯊魚減阻蒙皮的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種基于表面形貌尺寸可調的變形仿鯊魚減阻蒙皮的制作方法，更特 別地說，是指一種通過對低阻生物表皮形貌進行變形復制以制作變形仿鯊魚皮形貌減阻蒙 皮的制備工藝，屬于仿生制造技術領域。
背景技術：
減少固液之間的壁面摩擦阻力，節(jié)約能源消耗一直是人類追求的目標。有效降低 航行器、管道等運輸工具的表面阻力以提高速度、降低燃料消耗，對于國民經(jīng)濟和國防安全 都具有重要意義。通常采用的減阻辦法是在運輸工具與流體相接觸的表面貼附具有減阻效 果的蒙皮。鯊魚表面特殊的形貌具有性能優(yōu)異的減阻效果，模仿鯊魚皮的減阻機理、制造仿 鯊魚減阻表皮已成為國內外研究的熱點。在現(xiàn)有技術條件下，對于仿鯊魚皮形貌減阻蒙皮的制造主要存在兩種方式，一種 是在對鯊魚表皮微觀形貌進行抽象簡化的基礎上，借助微細機械加工(如微雕刻、微銑削、 微鍛壓等)、高能束加工(激光燒結)、半導體加工、微快速原型等方法制造出直溝槽的仿 鯊魚減阻形貌。US Patents :4753401、4930729、4863121、5386955、5606201 分別公開了采 用仿形加工方法成型出仿鯊魚減阻形貌的制備方法。采用上述仿制技術手段不僅成型效 率低、成本高，而且所仿制出的仿鯊魚物逼真程度差、減阻率低，難以實現(xiàn)工程化應用。另 一種方式是對生物表皮直接復制以成型出逼近生物表面形貌的仿鯊魚皮形貌減阻蒙皮。 CN101081532、CN101487130分別公開了用熱壓印法和電鑄法制作高逼真仿鯊魚皮形貌陰 模板的方法，這種方法成型效率高、成本低、減阻效果好，但存在的問題是鯊魚皮形貌是由 帶有溝槽的鱗片密排而成，其溝槽寬度等幾何要素直接影響到減阻效果的最佳適用速度范 圍，溝槽寬度較小的鱗片適合于速度較高的物體減阻，溝槽寬度較大的鱗片適合于速度較 低的物體減阻，而鯊魚表面鱗片的溝槽尺寸相對比較固定，難以滿足多種應用對象的需求。變形復制是在對鯊魚皮形貌精確復制的基礎上，再通過拉伸陰模板改變鯊魚皮表 面形貌的溝槽尺寸，然后翻膜制備出變形后的鯊魚皮形貌。其原理是借助硅橡膠陰模板在 拉伸時對表面形貌的影響，調節(jié)鯊魚皮形貌的尺寸以適應應用對象的需求。應用變形復制 工藝制作變形仿鯊魚皮形貌減阻蒙皮的目的是在保持鯊魚皮形貌減阻效果和生物復制成 形工藝優(yōu)勢的同時，擴大生物復制鯊魚皮形貌的減阻適用范圍。

發(fā)明內容
1、目的本發(fā)明的目的之一是提出一種高精度復制鯊魚皮表面形貌制作彈性陰模 板的工藝，該工藝先將鯊魚表皮制成生物模板，然后借助真空傾倒裝置在真空狀態(tài)下澆注 硅橡膠，待硅橡膠固化后脫模制得鯊魚皮形貌彈性陰模板。該彈性陰模板可以直接澆注填 料制得與原始鯊魚皮的形貌似度在95%以上的逼真仿鯊魚皮形貌減阻蒙皮，也可以拉伸變 形后澆注填料制得變形仿鯊魚皮形貌減阻蒙皮。本發(fā)明的另一目的是提出一種利用拉伸彈性陰模板改變其表面形貌以制作變形仿鯊魚皮形貌減阻蒙皮的工藝。該工藝將鯊魚皮形貌彈性陰模板橫向或縱向拉伸至一定比 例后固定，在真空狀態(tài)下澆注填料，待填料固化后脫模，制得表面形貌的溝槽尺寸改變后的 變形仿鯊魚皮形貌減阻蒙皮。本發(fā)明的變形復制工藝借助鯊魚皮表面的獨特外形和結構特 點，在對鯊魚皮形貌實現(xiàn)精確復制的基礎上，通過拉伸陰模板進一步改變鯊魚皮形貌的溝 槽尺寸，最終制得符合環(huán)境需求的變形仿鯊魚皮形貌減阻蒙皮。2、技術方案本發(fā)明一種基于表面形貌尺寸可調的變形仿鯊魚減阻蒙皮的制作方 法，如圖1所示，該方法具體步驟如下步驟一制作鯊魚皮生物模板(A)將購入的鯊魚表皮用去離子水清洗3 6次，然后將洗凈的鯊魚表皮在2. 5% 戊二醛溶液中化學固定6 8h，化學固定溫度0 4°C，制得固定試樣表皮；(B)將經(jīng)㈧步驟制得的固定試樣表皮采用去離子水清洗3 6次，然后將洗凈 的固定試樣表皮依次放入濃度50%乙醇溶液中脫水20 30min、濃度75%乙醇溶液中脫 水20 30min、濃度95%乙醇溶液中脫水20 30min、濃度100%乙醇溶液中脫水20 30min，制得脫水試樣表皮；(C)將經(jīng)(B)步驟制得的脫水試樣表皮在50 70°C條件下烘8 12h，制得鯊魚 皮生物模板，其表面形貌如圖2A所示。由圖可見，鯊魚皮表面由帶有脊狀凸起的盾鱗所覆 蓋，大量盾鱗通過覆瓦式排列在鯊魚皮表面形成順流向的溝槽(圖2A)，鯊魚皮形貌的橫截 面為圓弧形(圖2B)，縱截面為鱗片疊壓形成的楔形(圖2C)，縱橫方向如圖2A中所示。為防止鯊魚皮皺縮和翹曲，在固定、脫水、干燥環(huán)節(jié)中將鯊魚皮固定在硬質板上；此步驟的目的是保持鯊魚皮生物模板的原型結構，通過戊二醛溶液并增加其機械 強度，包括硬度和強度。步驟二 制作硅橡膠彈性陰模板(參見圖3A、3B)利用真空傾倒裝置在真空狀態(tài)下向鯊魚皮生物模板表面澆注硅橡膠。(A)將步驟一制得的鯊魚皮生物模板(114)放置在底座(101)處，再將硅橡膠和固 化劑均勻混合后裝入燒杯(111)中，此時旋轉盒(Iio)在支撐桿(105)的作用下保持水平， 然后將定時振動器(109)定好時間后放置在斜面(107)上，如圖3A所示，定時的長短參考 真空干燥箱抽真空至IX KT3Pa需要的時間而設定。(B)將真空傾倒裝置放入真空干燥箱中抽真空至lX10_3Pa，此后定時振動器 (109)產(chǎn)生振動從斜面滑下，帶動牽引線(108)使旋轉盒(110)發(fā)生翻轉，旋轉盒(110)在 使燒杯(111)中的硅橡膠傾倒在鯊魚皮生物模板(114)表面，如圖3B所示。(C)待澆注完成后，再將鯊魚皮生物模板保持在真空狀態(tài)下20min以上，使硅橡膠 在真空狀態(tài)下充分流平。然后將鯊魚皮生物模板從真空干燥箱內取出，待硅橡膠在室溫固 化后脫模，制得彈性陰模板，其截面輪廓與鯊魚皮形貌截面輪廓互補，如圖4所示。由于硅 橡膠強度有限，被卡在鱗片下部的硅橡膠中在脫模時容易被撕裂。因此在脫模時需要按鱗 片排列順序揭模并沿鱗片反方向拔模，借助鱗片的翻轉變形和硅橡膠的彈性優(yōu)勢實現(xiàn)順利 脫模。在真空狀態(tài)下澆注硅橡膠是為了使硅橡膠對鯊魚皮鱗片根部形成充分填充(圖 5A)，避免了先澆注再抽真空時因鱗片根部處的氣體無法排出而引起的復制精度下降(圖 5B)，提高了彈性陰模板的復制精度。
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步驟三制作變形仿鯊魚形貌減阻蒙皮并研究規(guī)律(A)將彈性陰模板拉伸至一定比例，并固定在壓板上，固定方法如圖6所示。將陰 模板(24)拉伸至一定比例后，用壓板(23)將其壓在底板(21)上，并擰上螺栓(22)固定 緊。拉伸陰模板時有兩種方式、沿鯊魚皮溝槽方向的拉伸為縱向拉伸，垂直于溝槽方向的拉 伸為橫向拉伸，縱橫方向如圖2A所示。(B)借助真空傾倒裝置，在真空度為1 X10_3Pa的狀態(tài)下向硅橡膠表面澆注填料， 方式與步驟二中制作陰模板的方法相似。待填料固化后脫模，得到變形仿鯊魚形貌減阻蒙 皮。在脫模時需要按鱗片排列順序揭模并沿鱗片反方向拔模，使蒙皮與彈性陰模板順利分 離。如果在A步驟中陰模板拉伸率為0，即未經(jīng)過拉伸，澆注填料后得到逼真仿鯊魚形貌減 阻蒙皮；如果在A步驟中陰模板被縱向拉伸，澆注填料后得到縱向變形仿鯊魚形貌減阻蒙 皮，如圖7A所示；如果在A步驟中陰模板被橫向拉伸，澆注填料后得到橫向變形仿鯊魚形貌 減阻蒙皮，如圖7B所示。變形仿鯊魚形貌減阻蒙皮的表面溝槽寬度與拉伸的方式和拉伸率有關?？v向拉伸 陰模板后制得的變形仿鯊魚形貌比原始鯊魚皮形貌的溝槽寬度變小(圖7A)，拉伸率越大， 溝槽寬度縮小的程度越大；橫向拉伸陰模板后制得的變形仿鯊魚形貌比原始鯊魚皮形貌的 溝槽寬度變大(圖7B)，拉伸率越大，溝槽寬度變大的程度就越大。為獲得拉伸方式和拉伸 率對變形仿鯊魚形貌減阻蒙皮表面溝槽寬度的影響，應分別以橫向、縱向兩種拉伸方式，按 照拉伸率10%、20% 100%依次拉伸陰模板并在真空狀態(tài)下澆注填料以制作變形仿鯊魚 皮形貌減阻蒙皮。用觸針式輪廓掃描儀對各種拉伸率下各變形仿鯊魚皮形貌減阻蒙皮進行 測量，建立蒙皮的溝槽寬度與拉伸率之間的定量關系。步驟四根據(jù)應用對象需求制造變形仿鯊魚形貌減阻蒙皮將仿鯊魚減阻蒙皮應用于在流體介質中運動的物體，其溝槽寬度在某一值時蒙皮 接近最佳減阻效果，這一寬度值與物體的速度、長度以及介質粘度有關，計算方法如公式1 所示 ⑴其中，s為溝槽寬度，U為來流速度、ν為介質的運動粘度，CfS摩阻系數(shù)，通常狀態(tài)
下Cf的理論公式如式(2)所示，其中，Re為雷諾數(shù)，Re = UL/v, L為物體的幾何特征尺寸。 ⑵根據(jù)應用對象的工作環(huán)境參數(shù)計算所需減阻蒙皮的最佳寬度值，參考步驟三測出 的蒙皮溝槽寬度與拉伸率之間的定量關系，將陰模板拉伸至指定的寬度制作變形仿鯊魚皮 形貌減阻蒙皮，從而使變形仿鯊魚皮形貌減阻蒙皮在應用對象的工作環(huán)境下能接近最佳減 阻狀態(tài)。其中，步驟一所述的在固定、脫水、干燥環(huán)節(jié)中將鯊魚皮固定在硬質板上，其固定 方法是沿鯊魚皮一周釘入鐵釘。其中，步驟一所述的購入的鯊魚表皮取自灰鯖鯊、短尾真鯊、大白鯊等多個種類的 鯊魚表面。其中，步驟二所述的真空傾倒裝置由底座(101)、支撐架1(102)、擋桿(103)、軸
6桿(104)、支撐桿(105)、滑桿(106)、斜面(107)，牽引線(108)、定時振動器(109)、旋轉盒 (110)、燒杯(111)、支撐架2(112)、鋼釘(113)等幾個部分組成，如圖3所示。它們之間的 位置連接關系是；支撐架1(102)和支撐架2 (112)對稱固定在底座(101)上，擋桿(103)、軸 桿(104)、支撐桿(105)的兩端分別與支撐架1(102)和支撐架2(112)相連，滑桿(106)僅 一端與支撐桿1相連。軸桿(104)穿過旋轉盒(110)的中部，初始狀態(tài)下旋轉盒(110)的 一端搭在支撐桿(105)上以保持水平。牽引線(108) —端通過鋼釘(113)和旋轉盒(110) 的前端固連，另一端繞過滑桿(106)連接在定時振動器(109)上，定時振動器(109)放置在 斜面(107)上，斜面(107)固定在支撐架1(102)上，燒杯(111)安裝在旋轉盒(110)上。當 定時振動器振動后從斜面滑下，會帶動牽引線拉伸旋轉盒發(fā)生翻轉，從而將燒杯中的物質 傾倒，受擋桿的阻礙，旋轉盒(110)發(fā)生翻轉的角度是90度。其中，步驟三中所述的填料是環(huán)氧樹脂、聚二甲基硅氧烷(PDMS)、聚乙烯醇(PVA) 等澆注在硅橡膠表面能夠固化，固化后質地柔軟，且不與硅橡膠發(fā)生粘連的物質。3、優(yōu)點及功效本發(fā)明制作彈性陰模板的優(yōu)點(1)用澆注法制備陰模板對鯊魚 皮鱗片施加的外力小，避免了因鯊魚皮模板變形引起的復制精度降低；(2)采用在真空狀 態(tài)下澆注硅橡膠，避免了先澆注再抽真空時因尖角出的空氣無法抽出引起的復制精度降 低；(3)采用硅橡膠作為澆注材料，材料的流動性好，在真空狀態(tài)下澆注基本可以填充鯊魚 皮的大部分微細角落，復制精度可達95%以上，并且材料固化后有較高彈性，可以進行拉伸 變形。(4)制作工藝簡單、效率高、成本低，具有較強的可操作性。本發(fā)明制備變形仿鯊魚皮形貌減阻蒙皮的優(yōu)點(1)可以調節(jié)鯊魚皮形貌尺寸制 備出適應環(huán)境需要的減阻蒙皮；(2)可以保持鯊魚皮形貌的基本結構，從而產(chǎn)生比簡化減 阻形貌更好的減阻效果；(3)通過拉伸彈性陰模板調節(jié)表面形貌的尺寸，操作方便、可控性 好，可以通過試驗建立鯊魚皮形貌尺寸與拉伸率之間的關系，從而實現(xiàn)對鯊魚皮表面溝槽 尺寸的精確調節(jié)。(4)操作流程簡單，蒙皮制造效率高，成本低、實用性好。


圖1是本發(fā)明采用變形復制法制作變形仿鯊魚皮形貌減阻蒙皮的工藝流程圖。
圖2A是鯊魚皮表面形貌示意圖。
圖2B是鯊魚皮橫截面輪廓示意圖。
圖2C是鯊魚皮縱截面輪廓示意圖。
圖3A是真空傾倒裝置翻轉前示意圖。
圖3B是真空傾倒裝置翻轉后示意圖。
圖4是鯊魚皮形貌陰模板截面輪廓示意圖。
圖5A是鯊魚皮縱截面鱗片根部完全填充硅橡膠的示意圖。
圖5B是鯊魚皮縱截面鱗片根部未完全填充硅橡膠的示意圖。
圖6是拉伸彈性陰模板固定方法示意圖
圖7A是陰模板縱向拉伸后復制出的縱向變形仿鯊魚皮減阻形貌蒙皮。
圖7B是陰模板橫向拉伸后復制出的橫向變形仿鯊魚皮減阻形貌蒙皮。
圖8A是仿灰鯖鯊變形減阻形貌蒙皮的表面溝槽寬度與拉伸率的關系。
圖8B是仿短尾真鯊變形減阻形貌蒙皮的表面溝槽寬度與拉伸率的關系。
圖中符號說明如下101底座；102支撐架1 ； 103擋桿；104軸桿；105支撐桿；106滑桿；107斜面；108 牽引線；109定時振動器；110旋轉盒；111燒杯；112支撐架2 ;113鋼釘；114鯊魚皮生物模 板；21底板；22螺栓；23壓板；24陰模板。 具體實施例方式下面將結合附圖和實施例對本發(fā)明作進一步的詳細說明。參見圖1所示，本發(fā)明一種基于表面形貌尺寸可調的變形仿鯊魚減阻蒙皮的制作 方法，該方法具體步驟如下步驟一制作鯊魚皮生物模板(A)將購入的鯊魚表皮用去離子水清洗5次，然后將洗凈的鯊魚表皮在2. 5%戊二 醛溶液中化學固定7h，化學固定溫度3 °C，制得固定試樣表皮；(B)將經(jīng)(A)步驟制得的固定試樣表皮采用去離子水清洗5次，然后將洗凈的固定 試樣表皮依次放入濃度50%乙醇溶液中脫水25min、濃度75%乙醇溶液中脫水25min、濃度 95%乙醇溶液中脫水25min、濃度100%乙醇溶液中脫水25min，制得脫水試樣表皮；(C)將經(jīng)(B)步驟制得的脫水試樣表皮在60°C條件下烘10h，制得鯊魚皮生物模 板，其表面形貌如圖2所示。由圖可見，鯊魚皮表面由帶有脊狀凸起的盾鱗所覆蓋，大量盾 鱗通過覆瓦式排列在鯊魚皮表面形成順流向的溝槽(圖2A)，鯊魚皮形貌的橫截面為圓弧 形(圖2B)，縱截面為鱗片疊壓形成的楔形(圖2C)，縱橫方向如圖2A中所示。為防止鯊魚皮皺縮和翹曲，在固定、脫水、干燥環(huán)節(jié)中將鯊魚皮固定在硬質板上， 固定方法是沿鯊魚皮一周釘入鐵釘。所述的鯊魚皮可以取自灰鯖鯊、短尾真鯊、大白鯊等多個種類的鯊魚表面。此步驟的目的是保持鯊魚皮生物模板的原型結構，通過戊二醛溶液并增加其機械 強度，包括硬度和強度。步驟二 制作硅橡膠彈性陰模板(參見圖3A、3B)利用真空傾倒裝置在真空狀態(tài)下向鯊魚皮生物模板表面澆注硅橡膠。真空傾倒 裝置由底座(101)、支撐架(102)、擋桿(103)、軸桿(104)、支撐桿(105)、滑桿(106)、斜面 (107)，牽引線(108)、定時振動器(109)、旋轉盒(110)、燒杯(111)、支撐架2 (112)、鋼釘 (113)等幾個部分組成，如圖3所示。它們之間的位置連接關系是；支撐架1(102)和支撐 架2(112)對稱固定在底座(101)上，擋桿(103)、軸桿(104)、支撐桿(105)的兩端分別與 支撐架1(102)和支撐架2(112)相連，滑桿(106)僅一端于支撐桿1相連。軸桿(104)穿 過旋轉盒(110)的中部，初始狀態(tài)下旋轉盒(110)的一端搭在支撐桿(105)上以保持水平。 牽引線(108) —端通過鋼釘(113)和旋轉盒(110)的前端固連，另一端繞過滑桿(106)連 接在定時振動器(109)上，定時振動器(109)放置在斜面(107)上，斜面(107)固定在支撐 架1(102)上，燒杯(111)安裝在旋轉盒(110)上。當定時振動器振動后從斜面滑下，會帶 動牽引線拉伸旋轉盒發(fā)生翻轉，從而將燒杯中的物質傾倒，受擋桿的阻礙，旋轉盒(110)發(fā) 生翻轉的角度是90度。(A)將第一步制得的鯊魚皮模板(114)放置在底座(101)處，再將硅橡膠和固化劑均勻混合后裝入燒杯(111)中，此時旋轉盒(110)在支撐桿(105)的作用下保持水平，然后 將定時振動器(109)定好時間后放置在斜面(107)上，如圖3A所示，定時的長短參考真空 干燥箱抽真空至IX KT3Pa需要的時間而設定。(B)將真空傾倒裝置放入真空干燥箱中抽真空至lX10_3Pa，此后定時振動器
(109)產(chǎn)生振動從斜面滑下，帶動牽引線(108)使旋轉盒(110)發(fā)生發(fā)生翻轉，旋轉盒
(110)在使燒杯(111)中的硅橡膠傾倒在鯊魚皮生物模板(114)表面，如圖3B所示。(C)待澆注完成后，再將鯊魚皮生物模板保持在真空狀態(tài)下20min以上，使硅橡 膠在真空狀態(tài)下充分流平。然后將鯊魚皮生物模板從真空干燥箱內取出，待硅橡膠在室溫 固化后脫模，制得彈性陰模板，其截面輪廓與鯊魚皮截面輪廓互補，如圖4所示。由于硅橡 膠強度有限，被卡在鱗片下部的硅橡膠中在脫模時容易被撕裂。因此在脫模時需要按鱗片 排列順序揭模并沿鱗片反方向拔模，借助鱗片的翻轉變形和硅橡膠的彈性優(yōu)勢實現(xiàn)順利脫 模。在真空狀態(tài)下澆注硅橡膠是為了使硅橡膠對鯊魚皮鱗片根部形成充分填充(圖 5A)，避免了先澆注再抽真空時因鱗片根部處的氣體無法排出而引起的復制精度下降(圖 5B)，提高了彈性陰模板的復制精度。步驟三制作變形仿鯊魚形貌減阻蒙皮并研究規(guī)律(A)將彈性陰模板拉伸至一定比例，并固定在壓板上，固定方法如圖6所示。將陰 模板(24)拉伸至一定比例后，用壓板(23)將其壓在底板(21)上，并擰上螺栓(22)固定 緊。拉伸陰模板時有兩種方式、沿鯊魚皮溝槽方向的拉伸為縱向拉伸，垂直于溝槽方向的拉 伸為橫向拉伸，縱橫方向如圖2A所示。(B)借助真空澆注裝置，在真空度為1 X10_3Pa的狀態(tài)下向硅橡膠表面澆注填料， 方步與第二步中制作陰模板的方法相似。待填料固化后脫模，得到變形仿鯊魚形貌減阻蒙 皮。在脫模時需要按鱗片排列順序揭模并沿鱗片反方向拔模，使蒙皮與彈性陰模板順利分 離。如果在A步驟中陰模板拉伸率為0，即未經(jīng)過拉伸，澆注填料后得到逼真仿鯊魚形貌減 阻蒙皮；如果在A步驟中陰模板被縱向拉伸，澆注填料后得到縱向變形仿鯊魚形貌減阻蒙 皮，如圖7A所示；如果在A步驟中陰模板被橫向拉伸，澆注填料后得到橫向變形仿鯊魚形貌 減阻蒙皮，如圖7B所示。變形仿鯊魚形貌減阻蒙皮的表面溝槽寬度與拉伸的方式和拉伸率有關。縱向拉伸 陰模板后制得的變形仿鯊魚形貌比原始鯊魚皮形貌的溝槽寬度變小(圖7A)，拉伸率越大， 溝槽寬度縮小的程度越大；橫向拉伸陰模板后制得的變形仿鯊魚形貌比原始鯊魚皮形貌的 溝槽寬度變大(圖7B)，拉伸率越大，溝槽寬度變大的程度就越大。為獲得拉伸方式和拉伸 率對變形仿鯊魚形貌減阻蒙皮表面溝槽寬度的影響，應分別以橫向、縱向兩種拉伸方式，按 照拉伸率10%、20% 100%依次拉伸陰模板并在真空狀態(tài)下澆注填料以制作變形仿鯊魚 皮形貌減阻蒙皮。用觸針式輪廓掃描儀對各種拉伸率下各變形仿鯊魚皮形貌減阻蒙皮進行 測量，建立蒙皮的溝槽寬度與拉伸率之間的定量關系。步驟四根據(jù)應用對象需求制造變形仿鯊魚形貌減阻蒙皮將仿鯊魚減阻蒙皮應用于在流體介質中運動的物體，其溝槽寬度在某一值時蒙皮 接近最佳減阻效果，這一寬度值與航行器的速度、長度以及介質粘度有關，計算方法如公式 1所示
其中，s為溝槽寬度，U為來流速度、ν為介質的運動粘度，CfS摩阻系數(shù)，通常狀態(tài)
下Cf的理論公式如式(2)所示，其中，Re為雷諾數(shù)，Re = UL/v, L為物體的幾何特征尺寸。
根據(jù)應用對象的工作環(huán)境參數(shù)計算所需減阻蒙皮的最佳寬度值，參考步驟三測出 的蒙皮溝槽寬度與拉伸率之間的定量關系，將陰模板拉伸至指定的寬度制作變形仿鯊魚皮 形貌減阻蒙皮，從而使變形仿鯊魚皮形貌減阻蒙皮在應用對象的工作環(huán)境下能接近最佳減 阻狀態(tài)。實施例1 利用灰鯖鯊制造變形仿鯊魚減阻蒙皮。步驟一制作鯊魚皮生物模板(A)將購入的灰鯖鯊表皮用去離子水清洗5次，然后將洗凈的鯊魚表皮在2. 5%戊 二醛溶液中化學固定6 87h，化學固定溫度3°C，制得固定試樣表皮；(B)將經(jīng)(A)步驟制得的固定試樣表皮采用去離子水清洗5次，然后將洗凈的固 定試樣表皮依次放入濃度50%乙醇溶液中脫水25min、濃度75%乙醇溶液中脫水20 30min、濃度95%乙醇溶液中脫水25min、濃度100%乙醇溶液中脫水25min，制得脫水試樣 表皮；(C)將經(jīng)(B)步驟制得的脫水試樣表皮在60°C條件下烘10h，制得鯊魚皮生物模 板，其表面形貌如圖2所示。由圖可見，鯊魚皮表面由帶有脊狀凸起的盾鱗所覆蓋，大量盾 鱗通過覆瓦式排列在鯊魚皮表面形成順流向的溝槽(圖2A)，鯊魚皮形貌的橫截面為圓弧 形(圖2B)，縱截面為鱗片疊壓形成的楔形(圖2C)，縱橫方向如圖2A中所示。為防止灰鯖鯊表皮皺縮和翹曲，在固定、脫水、干燥環(huán)節(jié)中將鯊魚皮固定在硬質板 上，沿鯊魚皮一周釘入鐵釘。步驟二 制作硅橡膠彈性陰模板(參見圖3A、3B)利用真空傾倒裝置在真空狀態(tài)下向鯊魚皮生物模板表面澆注硅橡膠。(A)將第一步制得的鯊魚皮模板(114)放置在底座(101)處，再將硅橡膠和固化劑 均勻混合后裝入燒杯(111)中，此時旋轉盒(110)在支撐桿(105)的作用下保持水平，然后 將定時振動器(109)定好時間后放置在斜面(107)上，如圖3A所示，定時的長短參考真空 干燥箱抽真空至1 X KT3Pa需要的時間而設定。(B)將真空傾倒裝置放入真空干燥箱中抽真空至lX10_3Pa，此后定時振動器
(109)產(chǎn)生振動從斜面滑下，帶動牽引線(108)使旋轉盒(110)發(fā)生發(fā)生翻轉，旋轉盒
(110)在使燒杯(111)中的硅橡膠傾倒在鯊魚皮生物模板(114)表面，如圖3B所示。(C)待澆注完成后，再將鯊魚皮生物模板保持在真空狀態(tài)下20min以上，使硅橡膠 在真空狀態(tài)下充分流平。然后將鯊魚皮生物模板從真空干燥箱內取出，待硅橡膠在室溫固 化后脫模，制得灰鯖鯊表皮形貌彈性陰模板。由于硅橡膠強度有限，被卡在鱗片下部的硅橡 膠中在脫模時容易被撕裂。因此在脫模時需要按鱗片排列順序揭模并沿鱗片反方向拔模， 借助鱗片的翻轉變形和硅橡膠彈性優(yōu)勢實現(xiàn)脫模。
步驟三制作變形仿鯊魚形貌減阻蒙皮(A)將彈性陰模板拉伸至一定比例，并固定在壓板上，如圖6所示。拉伸陰模板時 有兩種方式、沿鯊魚皮溝槽方向的拉伸為縱向拉伸，垂直于溝槽方向的拉伸為橫向拉伸，縱 橫方向如圖2A所示。(B)借助真空澆注裝置，在真空度為1 X10_3Pa的狀態(tài)下向硅橡膠表面澆注雙組分 環(huán)氧樹脂，方步與第二步中制作陰模板的方法相似。待填料固化后脫模，得到變形仿鯊魚形 貌減阻蒙皮。在脫模時需要按鱗片排列順序揭模并沿鱗片反方向拔模，使蒙皮與彈性陰模 板順利分離。如果在A步驟中陰模板拉伸率為0，即未經(jīng)過拉伸，澆注填料后得到逼真仿鯊 魚形貌減阻蒙皮，根據(jù)用三維輪廓掃描儀測量的結果，這種逼真仿鯊魚形貌減阻蒙皮與原 始生物模板的形貌相似度達到95%以上；如果在A步驟陰模板縱向拉伸，澆注填料后得到 縱向變形仿鯊魚形貌減阻蒙皮；如果在A步驟陰模板橫向拉伸，澆注填料后得到橫向變形 仿鯊魚形貌減阻蒙皮。變形仿鯊魚形貌減阻蒙皮的表面溝槽寬度與拉伸的方式和拉伸率有關。為獲得拉 伸方式和拉伸率對變形仿鯊魚形貌減阻蒙皮表面溝槽寬度的影響，分別以橫向、縱向兩種 拉伸方式，按照拉伸率10%、20% 100%依次拉伸陰模板并在真空狀態(tài)下澆注填料以制 作變形仿鯊魚皮形貌減阻蒙皮。用觸針式輪廓掃描儀對各種拉伸率下各變形仿鯊魚皮形貌 減阻蒙皮進行測量，建立仿灰鯖鯊變形減阻蒙皮的溝槽寬度與拉伸率之間的定量關系，如 圖8A所示。步驟四根據(jù)應用對象需求制造變形仿鯊魚形貌減阻蒙皮擬將該減阻蒙皮用于某比賽用的皮劃艇上，艇長約5m，速度約6m/s，賽艇在河水 中運動，該河平均水溫約20度，運動粘度為1.0X10_6m2/S，根據(jù)以上該賽艇的工作環(huán)境參 數(shù)計算蒙皮達到最佳減阻狀態(tài)所需的表面溝槽寬度。該賽艇運動時的雷諾數(shù)
ν 1.0x10 m Is該賽艇的摩阻系數(shù) 該賽艇所需的最佳減阻溝槽寬度 根據(jù)步驟三所得仿灰鯖鯊變形減阻蒙皮的溝槽寬度與拉伸率之間的定量關系 (圖8A)，當陰模板橫向拉伸且拉伸率為50%時，制得的變形仿鯊魚減阻蒙皮的表面溝槽寬 度恰好為75. 8 μ m,因此，選擇這一拉伸率按照步驟三的方法制造用于該賽艇的變形仿鯊魚 減阻蒙皮。實施例2 利用短尾真鯊制造變形仿鯊魚減阻蒙皮。步驟一制作鯊魚皮生物模板(A)將購入的短尾真鯊表皮用去離子水清洗5次，然后將洗凈的鯊魚表皮在2. 5% 戊二醛溶液中化學固定7h，化學固定溫度3 °C，制得固定試樣表皮；(B)將經(jīng)(A)步驟制得的固定試樣表皮采用去離子水清洗5次，然后將洗凈的固定試樣表皮依次放入濃度50%乙醇溶液中脫水25min、濃度75%乙醇溶液中脫水25min、濃度 95%乙醇溶液中脫水20 30min、濃度100%乙醇溶液中脫水25min，制得脫水試樣表皮；(C)將經(jīng)(B)步驟制得的脫水試樣表皮在60°C條件下烘10h，制得鯊魚皮生物模 板。為防止短尾真鯊表皮皺縮和翹曲，在固定、脫水、干燥環(huán)節(jié)中將鯊魚皮固定在硬質板上， 沿鯊魚皮一周釘入鐵釘。步驟二 制作硅橡膠彈性陰模板(參見圖3A、3B)利用真空傾倒裝置在真空狀態(tài)下向鯊魚皮生物模板表面澆注硅橡膠。(A)將第一步制得的鯊魚皮模板(114)放置在底座(101)處，再將硅橡膠和固化劑 均勻混合后裝入燒杯(111)中，此時旋轉盒(110)在支撐桿(105)的作用下保持水平，然后 將定時振動器(109)定好時間后放置在斜面(107)上，如圖3A所示，定時的長短參考真空 干燥箱抽真空至1 X KT3Pa需要的時間而設定。(B)將真空傾倒裝置放入真空干燥箱中抽真空至lX10_3Pa，此后定時振動器產(chǎn)生振動從斜面滑下，帶動牽引線(108)使旋轉盒(110)發(fā)生發(fā)生翻轉，旋轉盒在使燒杯(111)中的硅橡膠傾倒在鯊魚皮生物模板(114)表面，如圖3B所示。(C)待澆注完成后，再將鯊魚皮生物模板保持在真空狀態(tài)下20min以上，使硅橡膠 在真空狀態(tài)下充分流平。然后將鯊魚皮生物模板從真空干燥箱內取出，待硅橡膠在室溫固 化后脫模，制得短尾鯊表皮形貌彈性陰模板。由于硅橡膠強度有限，被卡在鱗片下部的硅橡 膠中在脫模時容易被撕裂。因此在脫模時需要按鱗片排列順序揭模并沿鱗片反方向拔模， 借助鱗片的翻轉變形和硅橡膠彈性優(yōu)勢實現(xiàn)脫模。步驟三制作變形仿鯊魚形貌減阻蒙皮(A)將彈性陰模板拉伸至一定比例，并固定在壓板上，如圖6所示。拉伸陰模板時 有兩種方式、沿鯊魚皮溝槽方向的拉伸為縱向拉伸，垂直于溝槽方向的拉伸為橫向拉伸，縱 橫方向如圖2A所示。(B)借助真空澆注裝置，在真空度為IX ICT3Pa的狀態(tài)下向硅橡膠表面澆注聚二甲 基硅氧烷(PDMS)，方步與第二步中制作陰模板的方法相似。待填料固化后脫模，得到變形仿 鯊魚形貌減阻蒙皮。在脫模時需要按鱗片排列順序揭模并沿鱗片反方向拔模，使蒙皮與彈 性陰模板順利分離。如果在A步驟中陰模板拉伸率為0，即未經(jīng)過拉伸，澆注填料后得到逼 真仿鯊魚形貌減阻蒙皮；如果在A步驟陰模板縱向拉伸，澆注填料后得到縱向變形仿鯊魚 形貌減阻蒙皮；如果在A步驟陰模板橫向拉伸，澆注填料后得到橫向變形仿鯊魚形貌減阻 蒙皮。變形仿鯊魚形貌減阻蒙皮的表面溝槽寬度與拉伸的方式和拉伸率有關。為獲得拉 伸方式和拉伸率對變形仿鯊魚形貌減阻蒙皮表面溝槽寬度的影響，分別以橫向、縱向兩種 拉伸方式，按照拉伸率10%、20% 100%依次拉伸陰模板并在真空狀態(tài)下澆注填料以制 作變形仿鯊魚皮形貌減阻蒙皮。用觸針式輪廓掃描儀對各種拉伸率下各變形仿鯊魚皮形貌 減阻蒙皮進行測量，建立仿短尾真鯊變形減阻蒙皮的溝槽寬度與拉伸率之間的定量關系， 如圖8B所示。步驟四根據(jù)應用對象需求制造變形仿鯊魚形貌減阻蒙皮擬將該減阻蒙皮用于某艦艇上，艇長約70m，速度約lOm/s，在海水中運動，海水表 層的平均溫度17.4°C，其運動粘度ν = 1. lX10_6m2/S ；根據(jù)以上該艦艇的工作環(huán)境參數(shù)計算蒙皮達到最佳減阻狀態(tài)所需的表面溝槽寬度。 該艦艇運動時的雷諾數(shù)
該艦艇所需的最佳減阻溝槽寬度 根據(jù)步驟三所得的仿短尾真鯊變形蒙皮的溝槽寬度與拉伸率之間的定量關系 (圖8B)，當陰模板縱向拉伸且拉伸率為65%時，制得的變形仿鯊魚減阻蒙皮的表面溝槽寬 度恰好為40. 9 μ m,因此，選擇這一拉伸率按照步驟三的方法制造用于該艦艇的變形仿鯊魚 減阻蒙皮。
權利要求
一種基于表面形貌尺寸可調的變形仿鯊魚減阻蒙皮的制作方法，其特征在于該方法具體步驟如下步驟一制作鯊魚皮生物模板(A)將購入的鯊魚表皮用去離子水清洗3～6次，然后將洗凈的鯊魚表皮在2.5％戊二醛溶液中化學固定6～8h，化學固定溫度0～4℃，制得固定試樣表皮；(B)將經(jīng)(A)步驟制得的固定試樣表皮采用去離子水清洗3～6次，然后將洗凈的固定試樣表皮依次放入濃度50％乙醇溶液中脫水20～30min、濃度75％乙醇溶液中脫水20～30min、濃度95％乙醇溶液中脫水20～30min、濃度100％乙醇溶液中脫水20～30min，制得脫水試樣表皮；(C)將經(jīng)(B)步驟制得的脫水試樣表皮在50～70℃條件下烘8～12h，制得鯊魚皮生物模板，其表面是帶有脊狀凸起的盾鱗所覆蓋，大量盾鱗通過覆瓦式排列在鯊魚皮表面形成順流向的溝槽，鯊魚皮形貌的橫截面為圓弧形，縱截面為鱗片疊壓形成的楔形。步驟二制作硅橡膠彈性陰模板利用真空傾倒裝置在真空狀態(tài)下向鯊魚皮生物模板表面澆注硅橡膠；(A)將步驟一制得的鯊魚皮生物模板(114)放置在真空傾倒裝置的底座(101)處，再將硅橡膠和固化劑均勻混合后裝入燒杯(111)中，此時旋轉盒(110)在支撐桿(105)的作用下保持水平，然后將定時振動器(109)定好時間后放置在斜面(107)上，定時的長短參考真空干燥箱抽真空至1×10 3Pa需要的時間而設定；(B)將真空傾倒裝置放入真空干燥箱中抽真空至1×10 3Pa，此后定時振動器(109)產(chǎn)生振動從斜面滑下，帶動牽引線(108)使旋轉盒(110)發(fā)生發(fā)生翻轉，旋轉盒(110)在使燒杯(111)中的硅橡膠傾倒在鯊魚皮生物模板(114)表面；(C)待澆注完成后，再將鯊魚皮生物模板保持在真空狀態(tài)下20min以上，使硅橡膠在真空狀態(tài)下充分流平；然后將鯊魚皮生物模板從真空干燥箱內取出，待硅橡膠在室溫固化后脫模，制得彈性陰模板；在脫模時需要按鱗片排列順序揭模并沿鱗片反方向拔模，借助鱗片的翻轉變形和硅橡膠的彈性優(yōu)勢實現(xiàn)順利脫模；步驟三制作變形仿鯊魚形貌減阻蒙皮并研究規(guī)律(A)將彈性陰模板拉伸至一定比例，并固定在壓板上，將陰模板(24)拉伸至一定比例后，用壓板(23)將其壓在底板(21)上，并擰上螺栓(22)固定緊；拉伸陰模板時有兩種方式、沿鯊魚皮溝槽方向的拉伸為縱向拉伸，垂直于溝槽方向的拉伸為橫向拉伸；(B)借助真空傾倒裝置，在真空度為1×10 3Pa的狀態(tài)下向硅橡膠表面澆注填料，方式與步驟二中制作陰模板的方法相似；待填料固化后脫模，得到變形仿鯊魚形貌減阻蒙皮；在脫模時需要按鱗片排列順序揭模并沿鱗片反方向拔模，使蒙皮與彈性陰模板順利分離；變形仿鯊魚形貌減阻蒙皮的表面溝槽寬度與拉伸的方式和拉伸率有關；為獲得拉伸方式和拉伸率對變形仿鯊魚形貌減阻蒙皮表面溝槽寬度的影響，應分別以橫向、縱向兩種拉伸方式，按照拉伸率10％、20％～100％依次拉伸陰模板并在真空狀態(tài)下澆注填料以制作變形仿鯊魚皮形貌減阻蒙皮；用觸針式輪廓掃描儀對各種拉伸率下各變形仿鯊魚皮形貌減阻蒙皮進行測量，建立蒙皮的溝槽寬度與拉伸率之間的定量關系；步驟四根據(jù)應用對象需求制造變形仿鯊魚形貌減阻蒙皮將仿鯊魚減阻蒙皮應用于在流體介質中運動的物體，其溝槽寬度在某一值時蒙皮接近最佳減阻效果，這一寬度值與物體的速度、長度以及介質粘度有關，計算方法如公式1所示 <mrow><mi>s</mi><mo>=</mo><mfrac> <mrow><mn>16</mn><mi>&upsi;</mi> </mrow> <mi>U</mi></mfrac><msqrt> <mfrac><mn>2</mn><msub> <mi>C</mi> <mi>f</mi></msub> </mfrac></msqrt><mo>-</mo><mo>-</mo><mo>-</mo><mrow> <mo>(</mo> <mn>1</mn> <mo>)</mo></mrow> </mrow>其中，s為溝槽寬度，U為來流速度、v為介質的運動粘度，Cf為摩阻系數(shù)，通常狀態(tài)下Cf的理論公式如式(2)所示，其中，Re為雷諾數(shù)，Re＝UL/v，L為物體的幾何特征尺寸； <mrow><msub> <mi>C</mi> <mi>f</mi></msub><mo>=</mo><mfrac> <mn>0.455</mn> <msup><mrow> <mo>(</mo> <mi>log</mi> <mi>Re</mi> <mo>)</mo></mrow><mn>2.58</mn> </msup></mfrac><mo>-</mo><mfrac> <mn>1700</mn> <mi>Re</mi></mfrac><mo>-</mo><mo>-</mo><mo>-</mo><mrow> <mo>(</mo> <mn>2</mn> <mo>)</mo></mrow> </mrow>根據(jù)應用對象的工作環(huán)境參數(shù)計算所需減阻蒙皮的最佳寬度值，參考步驟三測出的蒙皮溝槽寬度與拉伸率之間的定量關系，將陰模板拉伸至指定的寬度制作變形仿鯊魚皮形貌減阻蒙皮，從而使變形仿鯊魚皮形貌減阻蒙皮在應用對象的工作環(huán)境下能接近最佳減阻狀態(tài)。
2.根據(jù)權利要求1所述的一種基于表面形貌尺寸可調的變形仿鯊魚減阻蒙皮的制作 方法，其特征在于步驟一中所述的為防止鯊魚皮皺縮和翹曲，在固定、脫水、干燥環(huán)節(jié)中將 鯊魚皮固定在硬質板上，其固定方法是沿鯊魚皮一周釘入鐵釘。
3.根據(jù)權利要求1所述的一種基于表面形貌尺寸可調的變形仿鯊魚減阻蒙皮的制作 方法，其特征在于步驟一中所述的購入的鯊魚表皮取自灰鯖鯊、短尾真鯊和大白鯊的鯊魚 表面。
4.根據(jù)權利要求1所述的一種基于表面形貌尺寸可調的變形仿鯊魚減阻蒙皮的 制作方法，其特征在于步驟二中所述的真空傾倒裝置由底座(101)、支撐架1(102)、擋 桿(103)、軸桿(104)、支撐桿(105)、滑桿(106)、斜面(107)，牽引線(108)、定時振動器 (109)、旋轉盒(110)、燒杯(111)、支撐架2(112)、和鋼釘(113)組成，它們之間的位置連接 關系是支撐架1(102)和支撐架2 (112)對稱固定在底座(101)上，擋桿(103)、軸桿(104)、 支撐桿(105)的兩端分別與支撐架1(102)和支撐架2(112)相連，滑桿(106)僅一端與支 撐桿1相連；軸桿(104)穿過旋轉盒(110)的中部，初始狀態(tài)下旋轉盒(110)的一端搭在支 撐桿(105)上以保持水平；牽引線(108) —端通過鋼釘(113)和旋轉盒(110)的前端固連， 另一端繞過滑桿(106)連接在定時振動器(109)上，定時振動器(109)放置在斜面(107) 上，斜面(107)固定在支撐架1(102)上，燒杯(111)安裝在旋轉盒(110)上；當定時振動器 振動后從斜面滑下，會帶動牽引線拉伸旋轉盒發(fā)生翻轉，從而將燒杯中的物質傾倒，受擋桿 的阻礙，旋轉盒(110)發(fā)生翻轉的角度是90度。
5.根據(jù)權利要求1所述的一種基于表面形貌尺寸可調的變形仿鯊魚減阻蒙皮的制作 方法，其特征在于步驟三中所述的填料是環(huán)氧樹脂、聚二甲基硅氧烷和聚乙烯醇。
全文摘要
本發(fā)明基于表面形貌尺寸可調的變形仿鯊魚減阻蒙皮的制作方法，它有四大步驟步驟一制作鯊魚皮生物模板；步驟二制作硅橡膠彈性陰模板；步驟三制作變形仿鯊魚形貌減阻蒙皮并研究規(guī)律；步驟四根據(jù)應用對象需求制造變形仿鯊魚形貌減阻蒙皮。應用本發(fā)明制得的彈性陰模板具有與原始鯊魚表皮形貌95％以上的相似度，應用本發(fā)明制作仿鯊魚減阻蒙皮，可根據(jù)應用對象的常用速度、介質粘度等參數(shù)調整蒙皮表面形貌的尺寸，使仿鯊魚減阻蒙皮的減阻效果接近最佳狀態(tài)。它在仿生制造技術領域內具有較好的實用價值和廣闊的應用前景。
文檔編號B29C39/42GK101913407SQ20101023285
公開日2010年12月15日 申請日期2010年7月16日 優(yōu)先權日2010年7月16日
發(fā)明者張德遠, 張鑫, 李翔, 郭明宇, 陳華偉 申請人:北京航空航天大學