生物復制成形工藝在仿生減阻表面的應用

游泳速度為每小時60公里的鯉魚和青魚，為研究模擬的低阻面提供了豐富的構形資源，豐富的浮游生物皮膚特征被提取、放大和簡化。以模擬捕魚皮（1.3）為例，進行了7%左右的減少率。規(guī)模和形狀是確定低阻動物表皮功能衰減功能的重要因素。在與生物原型表面相似的情況下，生產(chǎn)了一種相似的分解阻滯劑表面，從而達到了7%的減少阻滯率。生物加工技術可以直接將復雜生物形狀引入功能形式，打破現(xiàn)有的加工方法在技術和效率上的瓶頸[7.9]。在這項工作中，我們可以通過生物改良和形成技術在魚皮外端表面進行大規(guī)模復制，為模擬的抗阻表面制造出一種新的方法。1材料和方法1.1下烘干階段placoidscles魚皮的生長特性生物復制模板選用短尾真鯊(Carcharhinusbrachyurous,長1.4m,北京海洋水產(chǎn)公司)魚皮.自然狀態(tài)下鯊魚皮不能直接用作復制模板,需對其進行預處理:將新鮮鯊魚皮用蒸餾水洗凈后放入2.5%戊二醛溶液中4℃下固定6h;取出后用磷酸緩沖液沖洗再放入乙醇梯度溶液脫水;最后在60℃下烘干即可為防止其皺縮和翹曲,固定、脫水以及干燥環(huán)節(jié)需用平板將魚皮壓平.鯊魚皮表面由呈菱形排列的盾鱗(placoidscales)所覆蓋,盾鱗表面有寬度約50μm的順流向溝槽,其結構如圖1所示.此外,鯊魚屬軟骨魚類,其盾鱗在種類、質地、結構以及生長特性方面有別于硬骨魚類:首先,硬骨魚類的鱗片屬于骨鱗類型,扁平且相對柔軟,而盾鱗是軟骨魚類特有的鱗片類型,盾鱗呈釉質質地非常堅硬(顯微硬度300~350HV,在古代被當作砂紙使用),由非光滑的鱗棘和深埋在真皮的基板構成,二者構成堅固的懸臂梁結構;其次,盾鱗和牙齒屬同源器官(故又稱“齒鱗”),其生長成形過程不同于骨鱗,它不隨魚體生長而變大,其結構只由鯊魚種類和生長部位決定,同一條鯊魚根據(jù)部位不同其溝槽結構也不盡相同,但同一部位上鱗片的溝槽結構基本相同.由此可見,鯊魚皮在預處理過程中能夠承受一定的力、熱和化學過程,而不致破壞其表面結構,且預處理后的鯊魚皮生物模板在強度、硬度、耐熱性等方面能夠滿足后續(xù)生物復制成形工藝要求.1.2熱壓印法復制圖2為生物復制成形工藝制備大面積仿鯊魚減阻表面流程圖,其中在直接利用生物復制模板制備復型模板環(huán)節(jié)采用熱壓印法.本文所用熱壓印法與傳統(tǒng)熱壓印存在兩點不同:(1)傳統(tǒng)熱壓印通常只針對面型角為鈍角的圖形,而鯊魚鱗片屬于斜楔形,其背面面型與平面夾角為銳角,這對熱壓印過程中材料的流動性及脫模問題提出了新的要求;(2)傳統(tǒng)熱壓印只針對剛性材料的小面積復制,而鯊魚皮為半剛性生物材料(盾鱗呈剛性,真皮組織呈柔性),大面積壓印時的成形均勻度問題則顯得尤為重要,因此需要生物模板具有較高的平面度以保證受力均勻.圖3為熱壓印法復制鯊魚皮過程簡圖,包括基板加熱、樣本疊放與施壓、彈性脫模、復型翻模四步.在自制真空熱壓機內(nèi),以聚甲基丙烯酸甲脂(PMMA)平板為基板,將150mm×300mm鯊魚皮(如圖4所示)魚鱗面朝下平鋪其上并用平板輔以充氣墊壓平;真空條件下升溫到PMMA玻璃化溫度(Tg)105℃并保持恒定10min,然后在平板上施加等靜壓并保持30min,大小視魚皮面積而定;保壓降溫并在70℃下脫模便得到印有盾鱗陰模的復型模板,如圖5所示.復型翻模采用預聚體真空澆鑄法.選用聚二甲基硅氧烷(PDMS)預聚體作為澆鑄材料,將Sylgard184型PDMS預聚體及固化劑(DowCorningCorp.)按質量比10:1混合并脫氣10min后澆注于復型模板表面,形成1mm厚液層,在75℃下加熱固化,達到預定固化時間后脫模便得到仿鯊魚蒙皮,其表面形貌如圖6所示.由圖5和6可以看出,依靠PMMA在Tg下的輕微流動性,部分PMMA會滲流到棘突下面,從因保證復型后的仿鯊魚鱗片仍具有獨立性和層次性.基板材料流動性也會妨礙脫模,關鍵在于把握好揭模順序和拔模方向:如圖3所示,按鱗片排列順序揭模并沿鱗片反方向拔模,借助楔形棘突形成的拔模斜度及鱗片的固有彈性,鱗片能夠產(chǎn)生橫向與縱向的彈性彎曲變形從而實現(xiàn)彈性翻卷脫模.2主缸阻力測試2.1空泡水筒性能測試仿鯊魚減阻蒙皮平板樣件阻力試驗在中國船舶科學研究中心(CSSRC)某空泡水筒實驗室完成.該水筒筒體為封閉循環(huán)管道,在葉輪泵驅動下水沿管道循環(huán)流動,并在工作段內(nèi)形成穩(wěn)定、水速和壓力可調的均勻流場.其主要參數(shù)為:(1)工作段尺寸Φ800mm×2200mm;(2)工作段水速0~20.0m/s,連續(xù)可調;(3)工作段軸中心壓力8~400kPa,連續(xù)可調;(4)空泡指數(shù)K=0.15.空泡水筒的主要輔助裝置有:加壓筒、除氣塔、過濾器及真空箱等,分別用以調節(jié)水筒內(nèi)水的壓力、空氣含量及保持水質等.所用測試儀器主要包括:(1)阻力天平:阻力傳感器,量程為200N,載荷分辨率為0.1N;(2)橋式放大器和數(shù)字采樣板:型號分別為TEAC-SA55、NI-PCI4472,其中數(shù)字采樣板最高采樣頻率200kHz;(3)IBMPiv計算機.2.2測試方法可更換測試板用LY12鋁合金制作,前緣為半圓柱形,后端為長125mm的尖劈型收尾,其輪廓尺寸為900mm×300mm×30mm.測試板上端用固定孔并通過連接板固定在阻力天平上,保證更換測試板時安裝一致,試驗攻角為0°.分別以仿鯊魚蒙皮和同材質光滑蒙皮作為待測平板樣件加以對比,樣件尺寸均為775mm×300mm×2.5mm(長×寬×厚),材質選用RTV-II硅橡膠.由于復型模板在尺寸上完全受制于生物模板,試驗中對于仿鯊魚減阻蒙皮平板樣件的制備采用模板一次成形、蒙皮分塊拼接方式進行,蒙皮樣件雙面黏敷于測試板兩側.制樣過程對拼接、黏貼質量要求嚴格,必須保證黏結均勻、拼接光滑、無明顯接縫和凸臺,同時注意鱗片方向與來流方向保持一致.圖7為水筒工作段測試板安裝圖,黏敷待測蒙皮的測試板置于工作段內(nèi)并與測試儀器相連,其中阻力天平暴露在來流中部分采用導流罩減小附加阻力,整個試驗過程中天平和連接板不進行拆卸,只更換測試板部分.本試驗依據(jù)“空泡水筒模型測力試驗規(guī)程”(SPR3-301-2001)進行.測試板安裝固定后,先除氣1h,控制壓力和速度恒定后再進行測試,重復3次取值.設定來流水速v=2~10m/s,調節(jié)間隔0.4m/s,樣品中心線靜壓為0.13MPa,水溫28℃,Re=2×106.為扣除天平及連接板阻力,將測試板拆除單測其阻力.3減阻率的測量,在一定時間內(nèi),測得水速隨機誤差蒙皮平板樣件的實測阻力及仿鯊魚減阻蒙皮的減阻率數(shù)據(jù)匯總于表1,表中的阻力值為整體樣品阻力值.由于在第3次測試過程中蒙皮樣品在水速v>4.2m/s后發(fā)生剝離,試驗隨即停止,因而取2.0~4.2m/s水速下測得的阻力為有效阻力值.圖8給出了光滑蒙皮和仿鯊魚減阻蒙皮平板樣件在試驗工況下的阻力曲線對比.可以看出,在2.0~4.2m/s水速范圍內(nèi)測試板阻力有明顯地減小.圖9給出了仿鯊魚減阻蒙皮在該工況下的減阻率曲線.減阻率定義為DR=(F1-F2)/F1×100%,其中F1和F2分別是光滑蒙皮和仿鯊魚減阻蒙皮的實測阻力值.可以看出,在試驗工況下,仿鯊魚減阻蒙皮的最大減阻率可以達到8.25%,平均減阻率為6.91%.需要說明的是,隨著水速的變化,仿鯊魚減阻蒙皮的減阻率出現(xiàn)一定程度的波動.原因可能是:在試驗過程中,水流速度是由計算機自動測量的,存在不可消除的隨機誤差,測得的水速為一定時間范圍內(nèi)的平均值,瞬時水速存在一定的波動,雖然波動很小,但對測得的阻力值也存在一定的影響,而且這一影響在減阻率的計算過程中還被放大;測試板在較高水速下存在非周期性的顫振,雖然振動很小,但對阻力天平的測力也存在一定的影響.此外,在仿鯊魚減阻表面的生物復制成形方面,前期研究在用接觸式輪廓儀分別對鯊魚皮生物模板和復型模板進行掃描成像的基礎上,對溝槽形狀和鱗片傾角的復制精度進行了分析.結果表明,鯊魚皮復型模板在溝槽寬度上比生物模板增大了5.5%、在鱗脊高度上減小了5.9%;在傾角變形量上較生物樣本減小了27.5%.從而證實了該技術在動物體表形貌直接復制方面具有較好的綜合復制效果.采用直接復制手段模擬生物表皮形貌,可以最大程度地保持生物原型的結構信息,在結構和功能效果上較現(xiàn)有手段更為直接、高效.一方面,從有鱗動物表皮復制角度考慮,生物復制成形工藝能夠保持生物鱗片結構的獨立性、層次性及不連續(xù)性,而現(xiàn)有溝槽仿形加工技術幾乎難以實現(xiàn).另一方面,從生物減阻微結構復制角度考慮.研究發(fā)現(xiàn),銳利的鱗棘、完美的圓谷狀溝槽輪廓以及合理的溝槽寬度是影響鯊魚皮減阻機能的3個重要因素.由圖6可以看出,生物復制成形工藝在上述外形貌結構要素的保持方面較現(xiàn)有常規(guī)手段具有明顯優(yōu)勢.此外,從效率、成本以及可操作性等方面考慮,生物復制成形工藝還具有大面積成形效率高、模板成形均勻性好、生物材料來源廣泛、方法簡單易操作等特點.綜合分析表明,生物復制成形工藝在大面積直接復制鯊魚皮制備仿生減阻表面方面不僅較好地保持了生物原型的自然生物特點和結構要素,而且在功能效果上突破了現(xiàn)有7%的減阻率,表現(xiàn)出較好的工藝性和實用性.4結論(1)處理后的鯊魚皮等水下低阻動物堅硬表皮在強度、硬度、耐熱性等方面適于直接作為生物復制成形工藝的復制模板.與現(xiàn)有仿生表面微成形工藝相比,該工藝不僅成形效率高、成本低、可操作性強,而且制備出的仿鯊魚表面在表面形貌方面更接近生物原型.(2)減阻蒙皮平板樣件阻力試驗結果表明,采用生物復制成形工藝制備出的仿鯊魚表面具有明顯的減阻