生物复制成形工艺在仿生减阻表面的应用

生物复制成形工艺在仿生减阻表面的应用

游泳速度为每小时60公里的鲤鱼和青鱼，为研究模拟的低阻面提供了丰富的构形资源，丰富的浮游生物皮肤特征被提取、放大和简化。以模拟捕鱼皮（1.3）为例，进行了7%左右的减少率。规模和形状是确定低阻动物表皮功能衰减功能的重要因素。在与生物原型表面相似的情况下，生产了一种相似的分解阻滞剂表面，从而达到了7%的减少阻滞率。生物加工技术可以直接将复杂生物形状引入功能形式，打破现有的加工方法在技术和效率上的瓶颈[7.9]。在这项工作中，我们可以通过生物改良和形成技术在鱼皮外端表面进行大规模复制，为模拟的抗阻表面制造出一种新的方法。1材料和方法1.1下烘干阶段placoidscles鱼皮的生长特性生物复制模板选用短尾真鲨(Carcharhinusbrachyurous,长1.4m,北京海洋水产公司)鱼皮.自然状态下鲨鱼皮不能直接用作复制模板,需对其进行预处理:将新鲜鲨鱼皮用蒸馏水洗净后放入2.5%戊二醛溶液中4℃下固定6h;取出后用磷酸缓冲液冲洗再放入乙醇梯度溶液脱水;最后在60℃下烘干即可为防止其皱缩和翘曲,固定、脱水以及干燥环节需用平板将鱼皮压平.鲨鱼皮表面由呈菱形排列的盾鳞(placoidscales)所覆盖,盾鳞表面有宽度约50µm的顺流向沟槽,其结构如图1所示.此外,鲨鱼属软骨鱼类,其盾鳞在种类、质地、结构以及生长特性方面有别于硬骨鱼类:首先,硬骨鱼类的鳞片属于骨鳞类型,扁平且相对柔软,而盾鳞是软骨鱼类特有的鳞片类型,盾鳞呈釉质质地非常坚硬(显微硬度300~350HV,在古代被当作砂纸使用),由非光滑的鳞棘和深埋在真皮的基板构成,二者构成坚固的悬臂梁结构;其次,盾鳞和牙齿属同源器官(故又称“齿鳞”),其生长成形过程不同于骨鳞,它不随鱼体生长而变大,其结构只由鲨鱼种类和生长部位决定,同一条鲨鱼根据部位不同其沟槽结构也不尽相同,但同一部位上鳞片的沟槽结构基本相同.由此可见,鲨鱼皮在预处理过程中能够承受一定的力、热和化学过程,而不致破坏其表面结构,且预处理后的鲨鱼皮生物模板在强度、硬度、耐热性等方面能够满足后续生物复制成形工艺要求.1.2热压印法复制图2为生物复制成形工艺制备大面积仿鲨鱼减阻表面流程图,其中在直接利用生物复制模板制备复型模板环节采用热压印法.本文所用热压印法与传统热压印存在两点不同:(1)传统热压印通常只针对面型角为钝角的图形,而鲨鱼鳞片属于斜楔形,其背面面型与平面夹角为锐角,这对热压印过程中材料的流动性及脱模问题提出了新的要求;(2)传统热压印只针对刚性材料的小面积复制,而鲨鱼皮为半刚性生物材料(盾鳞呈刚性,真皮组织呈柔性),大面积压印时的成形均匀度问题则显得尤为重要,因此需要生物模板具有较高的平面度以保证受力均匀.图3为热压印法复制鲨鱼皮过程简图,包括基板加热、样本叠放与施压、弹性脱模、复型翻模四步.在自制真空热压机内,以聚甲基丙烯酸甲脂(PMMA)平板为基板,将150mm×300mm鲨鱼皮(如图4所示)鱼鳞面朝下平铺其上并用平板辅以充气垫压平;真空条件下升温到PMMA玻璃化温度(Tg)105℃并保持恒定10min,然后在平板上施加等静压并保持30min,大小视鱼皮面积而定;保压降温并在70℃下脱模便得到印有盾鳞阴模的复型模板,如图5所示.复型翻模采用预聚体真空浇铸法.选用聚二甲基硅氧烷(PDMS)预聚体作为浇铸材料,将Sylgard184型PDMS预聚体及固化剂(DowCorningCorp.)按质量比10:1混合并脱气10min后浇注于复型模板表面,形成1mm厚液层,在75℃下加热固化,达到预定固化时间后脱模便得到仿鲨鱼蒙皮,其表面形貌如图6所示.由图5和6可以看出,依靠PMMA在Tg下的轻微流动性,部分PMMA会渗流到棘突下面,从因保证复型后的仿鲨鱼鳞片仍具有独立性和层次性.基板材料流动性也会妨碍脱模,关键在于把握好揭模顺序和拔模方向:如图3所示,按鳞片排列顺序揭模并沿鳞片反方向拔模,借助楔形棘突形成的拔模斜度及鳞片的固有弹性,鳞片能够产生横向与纵向的弹性弯曲变形从而实现弹性翻卷脱模.2主缸阻力测试2.1空泡水筒性能测试仿鲨鱼减阻蒙皮平板样件阻力试验在中国船舶科学研究中心(CSSRC)某空泡水筒实验室完成.该水筒筒体为封闭循环管道,在叶轮泵驱动下水沿管道循环流动,并在工作段内形成稳定、水速和压力可调的均匀流场.其主要参数为:(1)工作段尺寸Φ800mm×2200mm;(2)工作段水速0~20.0m/s,连续可调;(3)工作段轴中心压力8~400kPa,连续可调;(4)空泡指数K=0.15.空泡水筒的主要辅助装置有:加压筒、除气塔、过滤器及真空箱等,分别用以调节水筒内水的压力、空气含量及保持水质等.所用测试仪器主要包括:(1)阻力天平:阻力传感器,量程为200N,载荷分辨率为0.1N;(2)桥式放大器和数字采样板:型号分别为TEAC-SA55、NI-PCI4472,其中数字采样板最高采样频率200kHz;(3)IBMPiv计算机.2.2测试方法可更换测试板用LY12铝合金制作,前缘为半圆柱形,后端为长125mm的尖劈型收尾,其轮廓尺寸为900mm×300mm×30mm.测试板上端用固定孔并通过连接板固定在阻力天平上,保证更换测试板时安装一致,试验攻角为0°.分别以仿鲨鱼蒙皮和同材质光滑蒙皮作为待测平板样件加以对比,样件尺寸均为775mm×300mm×2.5mm(长×宽×厚),材质选用RTV-II硅橡胶.由于复型模板在尺寸上完全受制于生物模板,试验中对于仿鲨鱼减阻蒙皮平板样件的制备采用模板一次成形、蒙皮分块拼接方式进行,蒙皮样件双面黏敷于测试板两侧.制样过程对拼接、黏贴质量要求严格,必须保证黏结均匀、拼接光滑、无明显接缝和凸台,同时注意鳞片方向与来流方向保持一致.图7为水筒工作段测试板安装图,黏敷待测蒙皮的测试板置于工作段内并与测试仪器相连,其中阻力天平暴露在来流中部分采用导流罩减小附加阻力,整个试验过程中天平和连接板不进行拆卸,只更换测试板部分.本试验依据“空泡水筒模型测力试验规程”(SPR3-301-2001)进行.测试板安装固定后,先除气1h,控制压力和速度恒定后再进行测试,重复3次取值.设定来流水速v=2~10m/s,调节间隔0.4m/s,样品中心线静压为0.13MPa,水温28℃,Re=2×106.为扣除天平及连接板阻力,将测试板拆除单测其阻力.3减阻率的测量,在一定时间内,测得水速随机误差蒙皮平板样件的实测阻力及仿鲨鱼减阻蒙皮的减阻率数据汇总于表1,表中的阻力值为整体样品阻力值.由于在第3次测试过程中蒙皮样品在水速v>4.2m/s后发生剥离,试验随即停止,因而取2.0~4.2m/s水速下测得的阻力为有效阻力值.图8给出了光滑蒙皮和仿鲨鱼减阻蒙皮平板样件在试验工况下的阻力曲线对比.可以看出,在2.0~4.2m/s水速范围内测试板阻力有明显地减小.图9给出了仿鲨鱼减阻蒙皮在该工况下的减阻率曲线.减阻率定义为DR=(F1-F2)/F1×100%,其中F1和F2分别是光滑蒙皮和仿鲨鱼减阻蒙皮的实测阻力值.可以看出,在试验工况下,仿鲨鱼减阻蒙皮的最大减阻率可以达到8.25%,平均减阻率为6.91%.需要说明的是,随着水速的变化,仿鲨鱼减阻蒙皮的减阻率出现一定程度的波动.原因可能是:在试验过程中,水流速度是由计算机自动测量的,存在不可消除的随机误差,测得的水速为一定时间范围内的平均值,瞬时水速存在一定的波动,虽然波动很小,但对测得的阻力值也存在一定的影响,而且这一影响在减阻率的计算过程中还被放大;测试板在较高水速下存在非周期性的颤振,虽然振动很小,但对阻力天平的测力也存在一定的影响.此外,在仿鲨鱼减阻表面的生物复制成形方面,前期研究在用接触式轮廓仪分别对鲨鱼皮生物模板和复型模板进行扫描成像的基础上,对沟槽形状和鳞片倾角的复制精度进行了分析.结果表明,鲨鱼皮复型模板在沟槽宽度上比生物模板增大了5.5%、在鳞脊高度上减小了5.9%;在倾角变形量上较生物样本减小了27.5%.从而证实了该技术在动物体表形貌直接复制方面具有较好的综合复制效果.采用直接复制手段模拟生物表皮形貌,可以最大程度地保持生物原型的结构信息,在结构和功能效果上较现有手段更为直接、高效.一方面,从有鳞动物表皮复制角度考虑,生物复制成形工艺能够保持生物鳞片结构的独立性、层次性及不连续性,而现有沟槽仿形加工技术几乎难以实现.另一方面,从生物减阻微结构复制角度考虑.研究发现,锐利的鳞棘、完美的圆谷状沟槽轮廓以及合理的沟槽宽度是影响鲨鱼皮减阻机能的3个重要因素.由图6可以看出,生物复制成形工艺在上述外形貌结构要素的保持方面较现有常规手段具有明显优势.此外,从效率、成本以及可操作性等方面考虑,生物复制成形工艺还具有大面积成形效率高、模板成形均匀性好、生物材料来源广泛、方法简单易操作等特点.综合分析表明,生物复制成形工艺在大面积直接复制鲨鱼皮制备仿生减阻表面方面不仅较好地保持了生物原型的自然生物特点和结构要素,而且在功能效果上突破了现有7%的减阻率,表现出较好的工艺性和实用性.4结论(1)处理后的鲨鱼皮等水下低阻动物坚硬表皮在强度、硬度、耐热性等方面适于直接作为生物复制成形工艺的复制模板.与现有仿生表面微成形工艺相比,该工艺不仅成形效率高、成本低、可操作性强,而且制备出的仿鲨鱼表面在表面形貌方面更接近生物原型.(2)减阻蒙皮平板样件阻力试验结果表明,采用生物复制成形工艺制备出的仿鲨鱼表面具有明显的减阻