[发明专利]基于硅藻土的仿鲨鱼复合减阻表面的制作方法

说明书

技术领域

本发明涉及仿生技术领域，具体涉及一种减阻表面的制作方法。

背景技术

鲨鱼是海洋中的游泳健将，其在水中的巡游速度约为5kph，在追捕猎物时可瞬时爆发到70kph。鲨鱼的高游速除了与其标准的流线型形体有关外，还与其特殊的微米级鳞片沟槽结构以及它体表分泌的粘液关系密切，两者的复合作用称为“鲨鱼皮效应”。当前，模仿鲨鱼表皮减阻机理、制造高逼真仿鲨鱼复合减阻表面已成为国内外研究的热点，在水下航行器和长输管道减阻领域具有重要的应用价值。

另外，硅藻是最重要的浮游类微生物之一，种类多、数量大、分布极其广泛。硅藻不仅形态多样，常见的有球形、盘形、圆筒形、杆形、舟形等，而且有着特殊的材质和结构。在材质上，硅藻壳体的主要化学成份是二氧化硅；在结构上，单体硅藻大小在几微米到几十微米间，由上、下壳面构成，壳体内部拥有空腔结构，壳体表面布满纳米级微孔。

硅藻土是硅藻的古代残骸沉积物生成的硅质沉积岩，主要由古代硅藻及其它微生物(放射虫、海绵等)的硅质遗骸组成，主要化学成份是二氧化硅。硅藻土在自然界中作为矿产大量存在，因而来源广泛、价格低廉。由于硅藻土具有细腻、质轻、孔隙度大、吸附性和渗透性强、化学性质稳定、耐磨、耐热、有一定强度等特点，是一种具有重要应用价值的材料。

发明内容

本发明的目的在于，提供基于硅藻土的仿鲨鱼复合减阻表面的制作方法，以解决上述技术问题。

本发明所解决的技术问题可以采用以下技术方案来实现：

基于硅藻土的仿鲨鱼复合减阻表面的制作方法，包括1)硅藻土预处理工艺，制得硅藻土混合物；2)硅藻土滤筛工艺，制得硅藻土混合物；3)硅藻土湿坯制作工艺，其特征在于，还包括如下步骤：

4)高逼真仿鲨鱼鳞片沟槽形貌复制成型：

(A)采用生物表皮复制模板的复制方法复制出金属材质为镍、厚度为2.5mm～3.5mm的镍质仿鲨鱼鳞片沟槽阴模板；

(B)将镍质仿鲨鱼鳞片沟槽阴模板在室温条件下放入去离子水中，在功率为800W～1200W、工作频率为30KHz～50KHz的条件下超声清洗10min～20min，然后烘干待用；

5)仿鲨鱼鳞片沟槽形貌约束下的硅藻土烧结固化直接成型：

(A)将4)制得的镍质仿鲨鱼鳞片沟槽阴模板的有鳞面朝上置于高温烧结炉内的烧结炉基座上，然后将3)制得的硅藻土湿坯倒扣在镍质仿鲨鱼鳞片沟槽阴模板的有鳞面上；

(B)在1050℃～1150℃温度范围内进行恒温烧结处理1.5h～2.5h，缓慢降至室温后进行脱模，即得到硅藻土固化表面；

(C)室温条件下将脱模后的硅藻土固化表面浸入去离子水中，在功率为800W～1200W、工作频率为30KHz～50KHz的条件下超声清洗10min～20min，然后用N2吹干，即得到基于硅藻土的仿鲨鱼复合减阻表面。

本发明通过高温烧结固化的方式将硅藻土固化成多孔表面并直接在其上复制仿鲨鱼鳞片形貌的方法，经高温烧结后的硅藻土固化表面，其固化强度在30MPa～40MPa，孔隙度在40％～60％。采用该方法所制作的仿鲨鱼复合减阻表面，其形貌逼真度在65％～75％。所制作的仿鲨鱼复合减阻表面不仅具有高逼真微米级仿鲨鱼鳞片沟槽形貌，能够发挥仿鲨鱼鳞片沟槽的减阻功能，而且还具有硅藻壳体的纳米级多孔微结构，能够同时发挥仿鲨鱼缓释自润滑粘液的减阻功能。从而实现提高水下航行器和长距离油气输送管道减阻能力的目的。

步骤5)中，为便于脱模，事先在镍质仿鲨鱼鳞片沟槽阴模板的有鳞面上涂敷一层质量百分比浓度为80％的氮化硼水溶液。

步骤1)中，硅藻土预处理工艺可以采用常用的预处理方法，也可以采用如下硅藻土预处理步骤：

(A)室温条件下，将硅藻土在质量百分比浓度为1.5％～3.5％的HF溶液中浸泡处理3min～5min，然后使用5μm～20μm的滤布进行过滤，得到第一硅藻土混合物；

(B)将所述第一硅藻土混合物在温度为80℃～90℃条件下，在NH4、H2O2、H2O混合液(1∶2∶7)中浸泡处理10min～20min，然后使用5μm～20μm的滤布进行过滤，得到第二硅藻土混合物；

(C)将所述第二硅藻土混合物在室温条件下加入去离子水，在功率为800W～1200W、工作频率为30KHz～50KHz的条件下，超声清洗10min～20min，然后使用5μm～20μm的滤布进行过滤，得到第三硅藻土混合物。