一种仿鲨鱼粘液表释减阻结构的制作方法

摘要

一种仿鲨鱼粘液表释减阻结构的制作方法，该方法有五大步骤：步骤一：表释微孔的优化设计；步骤二：表释微通道的优化设计；步骤三：形貌与微孔复合结构的制备；步骤四：微槽道基板的制造工艺；步骤五：粘液表释结构的封装工艺。本发明通过模仿鲨鱼在体表分泌粘液以提高减阻率的机理，以提升水下航行器的机动性和巡航速度为应用目标，提出了通过壁面表层的阵列微孔向边界层释放高聚物粘液的仿鲨鱼粘液表释结构的制造方法，以解决先前涂层溶解的形式释放高聚物存在的减阻时间过短、释放速度不可控等问题。它在仿生与生物制造技术领域里具有较好的实用价值和广阔的应用前景。

主权项

一种仿鲨鱼粘液表释减阻结构的制作方法，其特征在于：该方法具体步骤如下：步骤一:表释微孔的优化设计鱼类的粘液腺及表面微孔通常呈随机均匀分布，为了便于粘液表释结构的制作，将其简化为矩形分布进行优化，得出微孔的横向间距和纵向间距；从高聚物表释效果的角度考虑，相同的面积上表释孔的数量越多则高聚物分散得越均匀，减阻效果越好；从工艺优化的角度考虑，蒙皮的表释孔越少则制造工艺越简单，对表释孔排布进行优化的两个约束条件是：①湍流边界层内满足高聚物浓度要求的部分达到一定比例；②缓释孔的排布密度在工艺允许的范围以内；其具体优化方法为：设目标减阻物的表面积为S，可存放高聚物粘液的空间为V，存放高聚物粘液的浓度为C₀，目标减阻持续时间为t，m₀为单位面积单位时间上可释放高聚物的质量，计算方法为m₀＝VC₀/St，在目标减阻物表面选取面积为g×d的区域A进行分析，设该面积上纵向排列孔的数量为p，横向排列孔的数量为q，每个小孔表释粘液的速度为m₁，m₁＝gdm₀/pq；表释微孔的横向间距为l，l＝g/p；表释微孔的纵向间距为e，e＝d/q；区域A侧部与区域A面积及表释孔数量都相同的区域定义为区域B，区域A与区域B中间处下一个小格的湍流内层区域定义为区域D，区域D的长度为e和宽度为l，高度为湍流边界层的内层厚度ξ，其计算方法为：u为边界层平均速度，υ为流体运动粘度，C_f为摩擦系数，与雷诺数Re有关，当Re在10⁵～10⁹的范围内时，C_f的近似计算方法为C_f＝0.072(Re)^‑0.2；区域D浓度分布是区域A和区域B中的2pq个小孔表释高聚物对该区域的叠加结果，区域D中浓度分布的表达式如式(2)所示，在区域D中，p、q分别为纵向和横向排列孔的数量，m₁为每个小孔表释粘液的速度，l为表释微孔的横向间距，e为表释微孔的纵向间距，Ex为管道内横向湍流扩散系数；如果区域D的高聚物浓度能够达到预期目标C’，由于gd<<S，将该部分进行拓展，则目 标减阻物表面的大部分区域都能满足高聚物浓度的预期目标；判断区域D的高聚物浓度达到预期目标C’的方法是，根据实际工况设定一个比例系数η，在区域D取N个均匀分布的点(x₁，y₁，z₁)……(x₂，y₂，z₂)……(x_N，y_N，z_N)，设其中有n个点的浓度大于等于C’，当n所占比例大于η时，则认为区域D的高聚物浓度达到预期目标；同时还需满足纵向、横向上孔的数量能够小于制造工艺所能接受的纵向上孔数量的最大值p_max和横向上孔数量的最大值q_max，以上约束的数学表达如式(3)所示：以提高高聚物的均匀分布即提高n/N为目标，依据已设定约束条件进行优化，最终求解出p、q的合理值；若计算无解则适当调节预设参数C₀、t、C^/、η的取值，使其能够求解；步骤二：表释微通道的优化设计表释微通道是将粘液从主输入口传输到表释微孔的流通渠道，从工艺简化、易于制造的角度考虑，将微通道截面取为矩形，由此建立起表释微通道的模型；假设某高聚物主输入口向物体表面一块面积为a×b的部分输送减阻液，且主输入口在该部分的中心位置，则离主输入口最远的表释微孔与主输入口之间存在长度为a/2的主路微通道和长度为b/2的支路微通道；设主路微通道的截面长度为S₁，截面高度为H₁，距顶部的深度为h₁；支路微通道的截面长度为S₂，截面高度为H₂，距顶部的深度为h₂，表释微孔的半径为r，在以上参数中，S₁、S₂、r通过优化得出，其余参数根据目标减阻物的特点和蒙皮的制造工艺预先设定；在该区域上，纵向指平行主路微通道方向，该方向有p₀个微孔，横向指平行支路微通道方向，该方向有q₀个微孔，p₀，q₀由上一步对微孔排列的优化得出，在该面积上有2p₀条支路微通道，有p₀q₀个微孔，则微孔的纵向间距l₀＝a/p₀，横向间距为e₀＝b/q₀；从主输入口流入的减阻液流量为Q₀，入口压强为P₀，主路微通道的末端压力为P₁，在主路微通道上的压降损失ΔP₀＝P₀‑P₁；离主输入口最远的那个表释小孔的处的入口压力为P₂，在支路微通道的压降损失ΔP₁＝P₁‑P₂；为保证减阻液能从小孔中均匀渗出，应当满足P₁/P₀≥λ₁、P₂/P₁≥λ₂，其中λ₁、λ₂为预先设定的比例系数，设向该区域输送减阻液的功率为W₀，其计算方法为W₀＝P₀Q₀；由于Q₀的取值已经确定，那么主路入口压强P₀越小则输送减阻液需要的能耗越小，同时P₀优化的结果需要满足P₀≤P_max，P_max为系统能够提供的最大压强；由于微通道内的液体存在压力，会使顶部蒙皮产生较大的应力，当应力大到一定程度会 导致顶部蒙皮破裂，因此需要对微通道内的最大压强进行约束，在两端处应力最大，只要蒙皮两个端点处的应力小于许用应力[σ]，则能保证蒙皮不会破裂，其表达式为：pl²/(2h²)≤[σ]    (4) p为微通道内液体压力，l为表释微孔的横向间距，h为微流道的深度；总结以上分析，表释微通道优化的约束条件如式(5)所示，再以减小P₀为目标，最终优化出S₁、S₂、r的合适值，若优化结果无解，则适当调整预设参数的取值；其中，P₀为入口压强，P₁为主路微通道的末端压力，ΔP₀为主路微通道上的压降损失，ΔP₁为支路微通道的压降损失，ΔP₂为表释微孔的半径为r，深度为h的表释孔时产生的压降，P_out为表释孔外界压强，λ₁、λ₂为预先设定的比例系数，h₁为主路微通道的截面距顶部的深度，h₀为支路微通道距顶部的深度；步骤三：形貌与微孔复合结构的制备构建粘液表释结构是实现高聚物粘液从表面均匀释放的关键，通常这种微流道结构的制造方法是先制造出带有微孔的顶层蒙皮，再制造出带有微槽道的底层蒙皮，最后将两者结合形成微流道结构；这里先制造出既有鲨鱼皮形貌又有微孔的蒙皮，再与带有微槽道的基板键合形成形貌与粘液表释复合结构，下面对粘液表释结构制造过程分别叙述：加工复合结构蒙皮的方法包括三步：第一步是先用生物复制成形工艺制备出逼真鲨鱼皮形貌减阻蒙皮；所用灰鲭鲨试验样本购自北京市水产公司，初始样本呈冷冻态，体长1.5m左右，体重25Kg；将购回的鲨鱼在室温下解冻后进行解剖，剔除鱼肉，裁取鱼体腹背部的大面积鱼皮作为试验样本；对裁取下来的鲨鱼皮样本进行预处理，鲨鱼皮预处理的目的是保持生物原型结构并增加机械强度，其过程包括清洗、固定、漂洗、脱水、干燥五道工序；(A)清洗：将鲨鱼皮样本先用清水冲洗3～5次，再用去离子水冲洗2～3次，充分去除鲨鱼皮表面附着的泥沙、血污等杂质；注意不能使用热水或含碱性的清洗剂清洗或浸泡样本，以免对鲨鱼皮组织造成破坏；(B)固定：先将鲨鱼皮展平并用钉子或压板固定在刚性底板上，防止其在化学固定过程 中出现皱褶，样本展平后，将其完全浸入2.5％的戊二醛溶液中，在4℃的恒温环境中放置3h以上，即完成固定过程；(C)漂洗：将经过化学固定的鲨鱼皮样本取出，用浓度为0.1mol/L，PH值为7.2磷酸缓冲液漂洗1h，换液3～4次；再用清水和去离子水冲洗3～5次，以冲洗掉附着在样本上的残留溶液；(D)脱水：采用乙醇逐级梯度脱水法：将固定在刚性底板上，经过化学固定的鲨鱼皮样本依次浸入浓度为30％、50％、75％、80％、95％和100％的乙醇中逐级脱水，每级停留15～30min；为将脱水过程中吸入的乙醇排出，在脱水完成后需将样本浸入醋酸异戊酯与乙醇1：1的混合液中，浸泡10～20min；此后再将样本浸入纯醋酸异戊酯中浸泡10～20min；(E)干燥：使用电热鼓风干燥箱对鲨鱼皮进行干燥，干燥温度控制在60℃左右，干燥时间在12h以上，即完成全部预处理过程；第二步是制备硅橡胶质鲨鱼皮阴模板；选择缩合型A、B双组份室温硫化硅橡胶RTV‑2875作为制备弹性阴模板的材料，其中A组分包括基胶、填料、交联剂，B组分为催化剂，鲨鱼皮阴模板的制备包括硅橡胶浇注→真空脱气→固化→脱模四个过程；(A)浇注：根据样本面积和成形厚度称取一定质量的A、B双组份，质量比为100：2，充分搅拌后，将其倒在鲨鱼皮生物模板表面，并尽量使硅橡胶流平；(B)真空脱气：在真空干燥箱中进行真空脱气，保持真空度小于0.1bar，脱气约5min，而且真空脱气有助于硅橡胶进一步流平；(C)固化：将该模板放置水平桌面或平台上，室温条件下20℃，硅橡胶8h完全固化；(D)脱模：待硅橡胶完全固化后，顺着鲨鱼皮沟槽的方向由一侧慢慢用力至脱模即可；第三步是在蒙皮上打出表释微孔，但对于橡胶加工性能较差的材料很难用钻头钻出孔径合适的小孔，故采用微丝塑模法，先用硅橡胶对鲨鱼皮生物模版直接进行浇铸复型，经弹性脱模后制得硅橡胶质鲨鱼皮阴模板，然后将金属丝以阵列的形式安装在硬质板上，然后用电解法使金属丝底端平齐，再根据制作蒙皮表面的小孔数量施加一定的力将金属丝阵列压在硅橡胶阴模板上，使金属丝与阴模板紧密接触，再向阴模板中浇注经过真空脱气后的双组份环氧树脂，待环氧树脂完全固化以后，用弹性脱模法揭去阴模板，再拔下金属丝，得到集成表释微孔与鲨鱼皮形貌的蒙皮；在多数情况下，待蒙皮固化后直接抽取金属丝即得到微孔；采用抽丝塑模法制备表释微孔的工艺流程如下：①将金属丝固定在硬质板上，并按照表释孔排布优化的结果将金属丝间隔一定间距排 列，排列时可用纱网做辅助定位工具，保证间隔的准确性和均匀性；②经过弯折的金属丝头部并不平齐，采用电解法将头部修平，具体方法是将硬质板放置于电解液液面上方并与液面平行，使金属丝的顶端没于电解液内；将金属丝与硬质板相连的部分连接直流电源的正极，使金属丝没入电解液的部分作为电极的阳极被溶解掉，从而保证剩余部分的金属丝顶端与硬质板平行；③将金属丝头部没入表面已经流平的硅橡胶表面，这一步骤的目的是使金属丝能够扎入底面，从而使再浇注蒙皮材料时能够保证金属丝能够贯穿蒙皮上下表面；④待硅橡胶固化以后，在硅橡胶表面浇注预聚态蒙皮材料，该蒙皮材料为双酚A环氧树脂，该双酚A环氧树脂由水性环氧乳液AB‑EP‑44及水性环氧固化AB‑HGF组成；⑤待蒙皮材料固化后，先将底部的硅橡胶揭去，再将金属丝抽出，最后得到表面具有规则排列微孔的光滑表面蒙皮；步骤四：微槽道基板的制造工艺先利用微铣削法在铝板上加工出微槽道的阴模板，再利用微塑铸法实现带有微槽道蒙皮的成形加工：①根据主路、支路微通道的尺寸和分布路径，采用微铣削方法加工出与微通道结构相同的凸起模板，要注意微通道的分布应与表释微孔的分布相对应；②向凸起模板表面浇注预聚态蒙皮材料，然后在真空状态下脱气，待材料完全固化以后将蒙皮揭下，凸起模板上的模型翻印在蒙皮上形成敞口的微槽道；步骤五：粘液表释结构的封装工艺将制造出的顶层蒙皮和底层基板两者键合，实现封装后形成集成鲨鱼皮形貌和粘液表释结构复合减阻蒙皮，具体封装工艺如下：①定位；在涂胶前先将顶层蒙皮的表释微孔与底层蒙皮微槽的位置对准并打定位孔，从而保证完成封装后高聚物粘液能沿主通道从各表释孔顺利流出；②涂胶：首先在底层蒙皮的微槽内填充模具硅橡胶，待模具硅橡胶固化后在底层蒙皮表面涂胶，务必保证表面胶层厚度的均匀性，尽量避免粘胶在某一部位聚集；待胶层丧失流动性后，揭去模具硅橡胶，从而使粘胶只涂覆在微槽间隔的脊柱表面；③粘接：涂胶后依照定位孔的位置在引导杆的辅助下将两张蒙皮对接，并用压板施加一定预紧力，预紧力的大小既要满足蒙皮与基板的粘合要求，又不能因用力过大只是蒙皮变形，每平方厘米的面积施加预紧力大小为0.2N‑1N，待粘胶固化以后，即得到鲨鱼皮形貌与粘液表释复合蒙皮。