大面积鲨鱼皮复制制备仿生减阻表面研究
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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
2.1 试验设备
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Φ 800 mm×2200 mm; (2) 工作段水速 0~20.0 m/s, 连续可调; (3) 工作段轴中心压力 8~400 kPa, 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 200 N, 载荷 分辨率为 0.1 N; (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 200 kHz; (3) IBM Piv 计算机.
图 1 鲨鱼皮盾鳞结构示意图
838
www.scichina.com csb.scichina.com
论文
图 2 生物复制成形工艺制备仿鲨鱼减阻表面流程图
1.2 仿鲨鱼表面的大面积生物复制成形
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[12], 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 7 阻力试验状态下测试板安装图
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 1 h, 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 = 2~10 m/s, 调节间隔 0.4 m/s, 样品 中心线静压为 0.13 MPa, 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.
光滑蒙皮样件实测阻力 仿鲨鱼蒙皮样件实测
水速 v/m·s−1
值 F1/N
阻力值 F2/N
减阻率
样本 样本标准差 样本 样本标准差 DR/%
平均值 x
δˆ
平均值 x
δˆ
2.0
21.08
0.15
19.34
0.12
8.25
2.2
24.99
0.07
23.06
0.17
7.72
2.6
33.48
0.17
30.76
3 结果及分析
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 >
840
论文
4.2 m/s 后发生剥离, 试验随即停止, 因而取 2.0~4.2 m/s 水速下测得的阻力为有效阻力值.
表 1 平板样件实测阻力及减阻率
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(Dow Corning Corp.)按质量 比 10:1 混合并脱气 10 min 后浇注于复型模板表面, 形成 1 mm 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.
1 材料和方法
1.1 试验材料
生物复制模板选用短尾真鲨(Carcharhinus brachyurous, 长 1.4 m, 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 6 h; 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.
图 4 鲨鱼皮生物模板 SEM 照片
图 3 热压印法复制鲨鱼皮工艺简图
图 5 鲨鱼皮复型模板 SEM 照片 839
2008 年 4 月 第 53 卷 第 7 期
图 6 仿鲨鱼蒙皮整体及局部表面形貌光学照片
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 水筒阻力试验
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 150 mm×300 mm 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 10 min, 然后在平板上施加等静压并保持 30 min, 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.
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.
2007-09-27 收稿, 2008-03-15 接受 国家自然科学基金(批准号: 50775006)和国防基础科研重大专项基金(编号: D2120060002)资助项目
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
摘要 对水下低阻动物坚硬表皮形貌进行直接复制以成形出比较接近生物原型的仿生减 阻表面, 是生物复制成形工艺应用于仿生减阻表面研究的新尝试. 以鲨鱼皮为生物复制 模板, 采用热压印法对其外端形貌进行了大面积微复制, 进而拼接制备出了仿鲨鱼减阻 蒙皮. 平板样件水筒阻力试验结果表明, 采用生物复制成形工艺制备出的仿鲨鱼减阻表 面具有明显的减阻效果, 在试验工况内, 最大减阻率达到 8.25%.
2.2 样件制备与试验过程
可更换测试板用 LY12 铝合金制作, 前缘为半圆 柱形, 后端为长 125 mm 的尖劈型收尾, 其轮廓尺寸 为 900 mm×300 mm×30 mm. 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 775 mm×300 mm×2.5 mm(长×宽×厚), 材质选用 RTV-II 硅橡胶. 由
论文
2008 年 第 53 卷 第 7 期: 838 ~ 842
《中国科学》杂志社
SCIENCE IN CHINA PRESS
大面积鲨鱼皮复制制备仿生减阻表面研究
韩鑫, 张德远, 李翔, 李元月
北京航空航天大学机械工程及自动化学院, 北京 100083 E-mail: hanxin_1979@163.com
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[13].
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.
图 8 平板样件在试验工况下的实测阻力曲线
图 9 仿鲨鱼蒙皮样件在试验工况下的减阻率曲线
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%.
鲨鱼皮表面由呈菱形排列的盾鳞(placoid scales) 所覆盖, 盾鳞表面有宽度约 50 µm 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[10,11]: 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 300~350 HV, 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.
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[14]. 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.
0.10
8.12
3.0
42.57
0.10
39.76
0.20
6.60
3.4
52.90
0.12
49.19
0.18
7.01
3.8
63.87
0.26
60.43
0.28
5.39
4.2
75.73
0.29
71.73
0.22
5.28
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~ 4.2 m/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
关键词 鲨鱼皮 仿生减阻表面 生物复制成形 热压印
游速高达每小时 60 km 的鲨鱼、金枪鱼等水下低 阻动物表皮为仿生减阻表面研究提供了丰富的构形 资源, 人们已经通过对鲨鱼微鳞片进行抽象、放大和 简化仿形加工出了仿生鲨鱼皮[1~3], 实现了 7%左右的 减阻率. 尺度与形状是决定低阻动物表皮发挥减阻 机能的关键因素[4], 制造出与生物原型表皮形貌相逼 近的仿生减阻表面、实现减阻率 7%的突破仍是尚待 解决的难题[5,6]. 生物加工技术可以直接将复杂生物 形体引入功能形体制造, 能够突破现有加工手段在 工艺和效能上的瓶颈[7~9], 这使该问题的解决成为可 能. 本文借助生物复制成形工艺对鲨鱼皮外端形貌 进行大面积微复制, 为仿生减阻表面制造探索新的 途径.
2.1 试验设备
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Φ 800 mm×2200 mm; (2) 工作段水速 0~20.0 m/s, 连续可调; (3) 工作段轴中心压力 8~400 kPa, 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 200 N, 载荷 分辨率为 0.1 N; (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 200 kHz; (3) IBM Piv 计算机.
图 1 鲨鱼皮盾鳞结构示意图
838
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论文
图 2 生物复制成形工艺制备仿鲨鱼减阻表面流程图
1.2 仿鲨鱼表面的大面积生物复制成形
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[12], 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 7 阻力试验状态下测试板安装图
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 1 h, 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 = 2~10 m/s, 调节间隔 0.4 m/s, 样品 中心线静压为 0.13 MPa, 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.
光滑蒙皮样件实测阻力 仿鲨鱼蒙皮样件实测
水速 v/m·s−1
值 F1/N
阻力值 F2/N
减阻率
样本 样本标准差 样本 样本标准差 DR/%
平均值 x
δˆ
平均值 x
δˆ
2.0
21.08
0.15
19.34
0.12
8.25
2.2
24.99
0.07
23.06
0.17
7.72
2.6
33.48
0.17
30.76
3 结果及分析
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 >
840
论文
4.2 m/s 后发生剥离, 试验随即停止, 因而取 2.0~4.2 m/s 水速下测得的阻力为有效阻力值.
表 1 平板样件实测阻力及减阻率
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(Dow Corning Corp.)按质量 比 10:1 混合并脱气 10 min 后浇注于复型模板表面, 形成 1 mm 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.
1 材料和方法
1.1 试验材料
生物复制模板选用短尾真鲨(Carcharhinus brachyurous, 长 1.4 m, 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 6 h; 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.
图 4 鲨鱼皮生物模板 SEM 照片
图 3 热压印法复制鲨鱼皮工艺简图
图 5 鲨鱼皮复型模板 SEM 照片 839
2008 年 4 月 第 53 卷 第 7 期
图 6 仿鲨鱼蒙皮整体及局部表面形貌光学照片
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 水筒阻力试验
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 150 mm×300 mm 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 10 min, 然后在平板上施加等静压并保持 30 min, 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.
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.
2007-09-27 收稿, 2008-03-15 接受 国家自然科学基金(批准号: 50775006)和国防基础科研重大专项基金(编号: D2120060002)资助项目
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
摘要 对水下低阻动物坚硬表皮形貌进行直接复制以成形出比较接近生物原型的仿生减 阻表面, 是生物复制成形工艺应用于仿生减阻表面研究的新尝试. 以鲨鱼皮为生物复制 模板, 采用热压印法对其外端形貌进行了大面积微复制, 进而拼接制备出了仿鲨鱼减阻 蒙皮. 平板样件水筒阻力试验结果表明, 采用生物复制成形工艺制备出的仿鲨鱼减阻表 面具有明显的减阻效果, 在试验工况内, 最大减阻率达到 8.25%.
2.2 样件制备与试验过程
可更换测试板用 LY12 铝合金制作, 前缘为半圆 柱形, 后端为长 125 mm 的尖劈型收尾, 其轮廓尺寸 为 900 mm×300 mm×30 mm. 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 775 mm×300 mm×2.5 mm(长×宽×厚), 材质选用 RTV-II 硅橡胶. 由
论文
2008 年 第 53 卷 第 7 期: 838 ~ 842
《中国科学》杂志社
SCIENCE IN CHINA PRESS
大面积鲨鱼皮复制制备仿生减阻表面研究
韩鑫, 张德远, 李翔, 李元月
北京航空航天大学机械工程及自动化学院, 北京 100083 E-mail: hanxin_1979@163.com
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[13].
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.
图 8 平板样件在试验工况下的实测阻力曲线
图 9 仿鲨鱼蒙皮样件在试验工况下的减阻率曲线
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%.
鲨鱼皮表面由呈菱形排列的盾鳞(placoid scales) 所覆盖, 盾鳞表面有宽度约 50 µm 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[10,11]: 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 300~350 HV, 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.
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[14]. 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.
0.10
8.12
3.0
42.57
0.10
39.76
0.20
6.60
3.4
52.90
0.12
49.19
0.18
7.01
3.8
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0.26
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0.28
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4.2
75.73
0.29
71.73
0.22
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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~ 4.2 m/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
关键词 鲨鱼皮 仿生减阻表面 生物复制成形 热压印
游速高达每小时 60 km 的鲨鱼、金枪鱼等水下低 阻动物表皮为仿生减阻表面研究提供了丰富的构形 资源, 人们已经通过对鲨鱼微鳞片进行抽象、放大和 简化仿形加工出了仿生鲨鱼皮[1~3], 实现了 7%左右的 减阻率. 尺度与形状是决定低阻动物表皮发挥减阻 机能的关键因素[4], 制造出与生物原型表皮形貌相逼 近的仿生减阻表面、实现减阻率 7%的突破仍是尚待 解决的难题[5,6]. 生物加工技术可以直接将复杂生物 形体引入功能形体制造, 能够突破现有加工手段在 工艺和效能上的瓶颈[7~9], 这使该问题的解决成为可 能. 本文借助生物复制成形工艺对鲨鱼皮外端形貌 进行大面积微复制, 为仿生减阻表面制造探索新的 途径.