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基本信息

項目名稱：
仿鯊魚皮減阻功能高分子膜材的制備
小類：
能源化工
簡介：
本發(fā)明運(yùn)用嵌入式-彈性印章法對新鮮鯊魚皮表面的盾甲鱗結(jié)構(gòu)在某些高分子材料表面直接進(jìn)行微復(fù)制，得到“仿鯊皮”，克服了目前國內(nèi)外研究工作中使用化學(xué)方法等對新鮮鯊魚皮進(jìn)行預(yù)處理時極易出現(xiàn)收縮（收縮率可達(dá)27%）、起皺和翹曲的難題，較高精度復(fù)制出了鯊魚皮表面盾甲鱗結(jié)構(gòu)，并成功地將復(fù)制出來的仿鯊皮進(jìn)行化學(xué)鍍銀，為日后低成本制作鯊魚皮金屬模具并實(shí)現(xiàn)其盾甲鱗結(jié)構(gòu)大面積復(fù)制，也為海洋防污和減阻應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。
詳細(xì)介紹：
一直以來，“鯊魚皮效應(yīng)”為人們提供了幾近完美的減阻模版，其優(yōu)異的減阻能力在很大程度上得益于其表皮的三維互鎖式盾甲鱗溝槽（也叫V型肋條結(jié)構(gòu)）結(jié)構(gòu)。本作品以性能譜較廣、易于成型加工的彈性高分子材料（本發(fā)明主要選用液態(tài)硅橡膠、聚氨酯）為基材，運(yùn)用嵌入式-彈性印章法等微復(fù)制方法對新鮮鯊魚表皮的盾甲鱗微結(jié)構(gòu)在高分子材料表面進(jìn)行復(fù)制，制備出不同種類的“仿鯊皮”。經(jīng)過對比分析，本作品所采用的微復(fù)制方法克服了克服了目前國內(nèi)外研究工作中使用化學(xué)方法等對新鮮鯊魚皮進(jìn)行預(yù)處理時極易出現(xiàn)收縮（收縮率可達(dá)27%）、起皺和翹曲的難題，此種仿鯊皮較高精度地復(fù)制出真實(shí)鯊魚皮的盾甲鱗減阻結(jié)構(gòu)，且制備成本低廉，綠色無污染；而且，將復(fù)制出來的仿生鯊魚皮膜材進(jìn)行鍍銀，并對比不同鍍銀方法對微結(jié)構(gòu)的影響，這為日后低成本制作鯊魚皮金屬模具并實(shí)現(xiàn)其盾甲鱗結(jié)構(gòu)大面積復(fù)制，也為海洋防污和減阻應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。利用自主研制的阻力（系數(shù)）測試儀對比不同仿鯊皮的減阻效果，結(jié)果表明彈性基體和微結(jié)構(gòu)復(fù)合減阻具有最佳的減阻效果。作為具有減阻功能的“仿鯊皮”，其發(fā)展前景可觀，在仿生減阻領(lǐng)域具有很大的發(fā)展活力，若將這一材料應(yīng)用于流體（水、氣、油）輸送設(shè)備、船舶、飛機(jī)等交通工具，可望大大地降低能耗，產(chǎn)生極大的社會效益和經(jīng)濟(jì)效益。其制作也符合我國節(jié)能減排、降低資源消耗、保護(hù)環(huán)境的戰(zhàn)略決策，符合可持續(xù)的發(fā)展理念。

作品圖片

  • 仿鯊魚皮減阻功能高分子膜材的制備
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作品專業(yè)信息

設(shè)計、發(fā)明的目的和基本思路、創(chuàng)新點(diǎn)、技術(shù)關(guān)鍵和主要技術(shù)指標(biāo)

一、作品設(shè)計、發(fā)明的目的 一直以來，“鯊魚皮效應(yīng)”為人們提供了幾近完美的減阻模版。對鯊魚皮微結(jié)構(gòu)的仿生與應(yīng)用，國內(nèi)外科學(xué)家進(jìn)行了各種探索。目前運(yùn)用最多的復(fù)制方法是機(jī)械加工和生物成形等方法，所得到的仿鯊皮雖具有一定的減阻作用，但其結(jié)構(gòu)與真實(shí)鯊魚皮仍有較大的差異，且成本較高，鯊魚皮的化學(xué)處理過程對環(huán)境也造成一定污染。本發(fā)明擬以嵌入式-彈性印章法在高分子表面直接進(jìn)行微復(fù)制，探索大面積制備具有鯊魚皮表面微結(jié)構(gòu)的仿生高分子減阻膜材的方法，為制造有減阻功能的仿生鯊魚皮減阻膜材尋找一條新的途徑。 二、基本思路及技術(shù)關(guān)鍵 本發(fā)明運(yùn)用嵌入式-彈性印章法對新鮮鯊魚皮表面盾甲鱗結(jié)構(gòu)在彈性高分子材料表面進(jìn)行直接微復(fù)制，整個技術(shù)關(guān)鍵在于如何保證復(fù)制過程中鯊魚皮的平整性及控制皮的含水率問題，本方法較高精度地復(fù)制出了鯊魚皮表面的盾甲鱗結(jié)構(gòu)，并成功地將復(fù)制出來的仿生鯊魚皮膜材進(jìn)行鍍銀。 三、創(chuàng)新點(diǎn) 1、本發(fā)明結(jié)合彈性的減阻機(jī)理，將材料表面微結(jié)構(gòu)與彈性高分子基體結(jié)合成和諧的整體，優(yōu)化仿鯊魚皮減阻材料的結(jié)構(gòu)。 2、克服了國內(nèi)外研究工作中會使用到化學(xué)方法等對新鮮鯊魚皮進(jìn)行預(yù)處理時極易出現(xiàn)收縮、皺縮和翹曲的難題，較高精度地復(fù)制出了鯊魚皮表面的盾甲鱗結(jié)構(gòu)。 四、主要技術(shù)指標(biāo) （1）本研究的技術(shù)成果擬申請國家發(fā)明專利1項； （2）本研究的實(shí)驗(yàn)和理論分析成果擬在在國內(nèi)外重要學(xué)術(shù)刊物發(fā)表高水平論文1篇； （3）所研制的仿生減阻功能材料在船模拖曳流水池阻力實(shí)驗(yàn)中，對水阻力的減阻達(dá)8%以上。

科學(xué)性、先進(jìn)性

目前，對鯊魚表皮的復(fù)制與研究的主要方法有：生物約束成型法、機(jī)械加工法、復(fù)型翻模法和電鑄法等，但是以上方法中，主要是對鯊魚的表皮進(jìn)行了放大和簡化并制造出了仿生鯊魚皮，或者是要對鯊魚皮進(jìn)行前期的化學(xué)預(yù)處理后才進(jìn)行微復(fù)制，這極易使鯊魚皮出現(xiàn)收縮、起皺和翹曲等問題，較高精度及大面積復(fù)制出鯊魚皮表面的盾甲鱗結(jié)構(gòu)難度較大。而本發(fā)明主要用嵌入式壓模法將干燥后的新鮮鯊魚皮表面直接用液態(tài)硅膠復(fù)制出來，再用彈性印章法用液態(tài)聚氨酯對硅膠模具進(jìn)行翻模并鍍銀。本方法克服了使用化學(xué)方法等對新鮮鯊魚皮進(jìn)行預(yù)處理時極易使鯊魚皮出現(xiàn)收縮、皺縮和翹曲的難題，較高精度地復(fù)制出了鯊魚皮表面的盾甲鱗結(jié)構(gòu)，并成功地將復(fù)制出來的仿生鯊魚皮進(jìn)行鍍銀制備金屬模具，可將此結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)移到更多彈性高分子表面，從面更好的研究彈性如何與微結(jié)構(gòu)成為減阻的和諧體。方法簡便環(huán)保，易操作，且所得到的仿生鯊魚皮與真鯊魚皮相比，復(fù)制精度高。若將這一材料應(yīng)用于流體（水、氣、油）輸送設(shè)備、船舶、飛機(jī)等交通工具，可望大大降低能耗，產(chǎn)生極大的社會效益和經(jīng)濟(jì)效益。

獲獎情況及鑒定結(jié)果

2011年4月在第十一屆“挑戰(zhàn)杯”廣東大學(xué)生課外學(xué)術(shù)科技作品競賽中獲二等獎

作品所處階段

實(shí)驗(yàn)室階段

技術(shù)轉(zhuǎn)讓方式

目前產(chǎn)品處于實(shí)驗(yàn)室研發(fā)階段，還未提出技術(shù)轉(zhuǎn)讓方式。

作品可展示的形式

實(shí)物、圖片

使用說明,技術(shù)特點(diǎn)和優(yōu)勢,適應(yīng)范圍,推廣前景的技術(shù)性說明,市場分析,經(jīng)濟(jì)效益預(yù)測

本發(fā)明所提出的復(fù)制方法工藝可操作性強(qiáng)，成本低，可使用的材料廣。主要是將高分子材料運(yùn)用嵌入式-彈性印章法對新鮮鯊魚皮表面的盾甲鱗結(jié)構(gòu)直接微復(fù)制，克服了目前相關(guān)研究工作中要使用化學(xué)方法等會在對新鮮鯊魚皮進(jìn)行預(yù)處理時極易出現(xiàn)收縮、皺縮和翹曲的難題，較高精度地復(fù)制出了鯊魚皮表面的盾甲鱗結(jié)構(gòu)，并成功地其進(jìn)行鍍銀，為制作鯊魚皮金屬模具的研究工作打下了堅實(shí)的基礎(chǔ)。 對于船舶等水下航行器而言，航行中水與船體之間的摩擦阻力占總阻力的70%之多；此外，隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和城市化進(jìn)程的加快，飲用水量每年以兩位數(shù)遞增，在輸水過程中，相當(dāng)部份能量用于克服水與輸送管道內(nèi)壁的摩擦阻力。本作品為具有減阻功能的仿生高分子模材，可應(yīng)用于流體（水、氣、油）輸送設(shè)備、船舶、飛機(jī)等交通工具，通過改善船體或管道內(nèi)壁與流體接觸的表面層的結(jié)構(gòu)，來減少這些摩擦阻力，可望大大地降低能耗，產(chǎn)生極大的社會效益和經(jīng)濟(jì)效益。其應(yīng)用有利于實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗，符合我國節(jié)能減排、降低資源消耗、保護(hù)環(huán)境的戰(zhàn)略決策，對社會的可持續(xù)發(fā)展具有非凡的意義。

同類課題研究水平概述

由于鯊魚皮具有雙重減阻功能（非光滑表面減阻和柔性壁減阻），因此，對其原理進(jìn)行研究并設(shè)計和制備出具有優(yōu)異減阻功能的仿生材料，并將這一材料應(yīng)用于流體（水、氣、油）輸送設(shè)備、船舶、飛機(jī)等交通工具，可望大大地降低能耗，產(chǎn)生極大的社會效益和經(jīng)濟(jì)效益。 國內(nèi)外學(xué)者對鯊魚皮的結(jié)構(gòu)、減阻原理及對其表面結(jié)構(gòu)仿生與應(yīng)用進(jìn)行了大量的研究和探索。研究表明，鯊魚皮表面的肋條結(jié)構(gòu)能夠改變表皮附近層的流體運(yùn)動狀況，抑制和延遲湍流的發(fā)生，從而實(shí)現(xiàn)減阻。叢茜等利用有限體積法對三角形、扇貝形和刀刃形三種仿生非光滑溝槽表面流場進(jìn)行了數(shù)值計算，分析了三種溝槽非光滑表面的流場特性。劉博等從鯊魚皮盾甲鱗的結(jié)構(gòu)、形態(tài)和功能出發(fā),詳細(xì)介紹了鯊魚盾鱗肋條結(jié)構(gòu)減阻相關(guān)的流體動力學(xué)機(jī)理及其仿生材料模型的設(shè)計與測試方法,概括了目前肋條結(jié)構(gòu)仿生材料的減阻應(yīng)用情況,并展望了其未來的發(fā)展方向。美國宇航局通過對鯊魚皮的研究，率先將類似仿鯊魚皮的肋條結(jié)構(gòu)應(yīng)用于飛行器和船舶表面以減少阻力。這種肋條減阻原理也成功地應(yīng)用在美國“星條旗”帆船比賽上。Speedo公司則受到鯊魚皮的啟發(fā)，設(shè)計了一種可以大大提高運(yùn)動員游泳速度的泳衣。北京航天空航天大學(xué)的張德遠(yuǎn)教授等也注意到了鯊魚皮的減阻效應(yīng)，對鯊魚皮的復(fù)制工藝進(jìn)行了探索，利用生物約束成形對鯊魚皮的微觀形貌進(jìn)行了復(fù)制。 然而，以往大量的研究主要是根據(jù)鯊魚皮表面肋條結(jié)構(gòu)的減阻原理，通過對表面盾甲鱗溝槽結(jié)構(gòu)進(jìn)行放大、簡化或復(fù)制等方法來制取減阻仿生材料，以實(shí)現(xiàn)其減阻性能的。而對于如何將材料表面微結(jié)構(gòu)減阻與彈性減阻結(jié)合成一個有機(jī)的整體，優(yōu)化仿鯊魚皮的減阻結(jié)構(gòu)，制備出具有較優(yōu)異的“鯊魚皮效應(yīng)”的減阻材料未進(jìn)行深入研究。 本發(fā)明拓展了目前大面積制備鯊魚皮盾甲鱗結(jié)構(gòu)的微復(fù)制方法，克服了目前相關(guān)的研究工作中要使用化學(xué)方法等會在對新鮮鯊魚皮進(jìn)行預(yù)處理時極易出現(xiàn)收縮、皺縮和翹曲的難題，較高精度地復(fù)制出了鯊魚皮表面的盾甲鱗結(jié)構(gòu)，并成功地將復(fù)制出來的仿生鯊魚皮進(jìn)行鍍銀，為日后從事制作鯊魚皮模具的相關(guān)工作打下了堅實(shí)的基礎(chǔ)。目前，該類的研究還未見報道。
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