CN101487130A - 采用脉冲电铸方法制作有鳞生物表皮形貌复制模板的复制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种采用脉冲电铸方法制作有鳞生物表皮形貌复制模板的复制方法，该复制方法先将原生物表皮制成生物表皮干燥样本，然后进行磁控溅射沉积金属导电层，最后采用脉冲电铸制得复制模板。应用本发明制得的复制模板，不仅可以用于复型翻模制得仿生减阻蒙皮，而且可以直接用以在各种管道的内壁表面压印复制出仿生减阻表面，该仿生减阻表面具有与原始生物表皮形貌90％以上的逼真度，能够有效地降低管壁阻力，提高管道的输送能力。
Description
技术领域
本发明涉及一种对有鳞生物表皮形貌进行复制的工艺，更特别地说，是指一种通过脉冲电铸方法来直接复制有鳞生物表皮形貌的复制模板的制备方法。
背景技术
在节能降耗早已成为当今社会的共同、迫切需求的大背景下，降低各种管道的管壁表面与输送介质之间的阻力以提高管道输送能力、节约管道输送的能源消耗，对于国民经济和国防安全具有重要意义。自然界的很多生物，尤其是一些有鳞表皮生物，如金枪鱼、鲨鱼、鲟鱼、旗鱼或者箭鱼等。由于其表面的特殊结构而具有很好的减阻效果，这为我们提供了很好的减阻模板。
目前，在现有技术条件下对有鳞生物表皮形貌复制模板的制备主要集中在对其体表微观形貌的仿形制造上，多是在对有鳞生物表皮微观形貌进行抽象、简化、放大的基础上，借助微细机械加工(如微雕刻)、高能束加工(如激光烧结、等离子体刻蚀)、半导体加工(如LIGA技术)等方法来仿制成型出有鳞生物表皮形貌模板。USPatents：4753401、4930729、4863121、5386955、5606201分别公开了采用仿形加工方法成型出仿鲨鱼减阻表皮的制备方法，采用上述仿制技术手段不仅成型效率低、成本高，而且所仿制出的仿生物表皮逼真程度差、减阻效率低，直接限制了仿生减阻表皮的工程化应用。
精密电铸技术是利用金属的电解沉积原理来精确复制某些微细、复杂或难于用其他方法加工的特殊形状工件的特种成形方法。其中，脉冲电铸法是当前较为常用的精密电铸方法，其原理是利用电流(或电压)脉冲的张弛增加阴极的活化极化和降低阴极的浓差极化，从而改善铸层的物理化学性能。该方法具有仿形精度高、表面质量好、设备简单、操作容易等优点，尤其对于复制微细复杂结构具有明显优势。
发明内容
本发明的目的之一是提供一种采用脉冲电铸方法制作出的有鳞生物表皮形貌的复制模板，应用复制模板作为复制仿生减阻蒙皮的模具，其制作出的仿生物减阻蒙皮可以作为输送管道的减阻表面；制作出的仿生物减阻蒙皮具有与原始生物表皮形貌90％以上的逼真度，能够有效地提高输送管道减阻表面的减阻率。采用本发明方法能够直接制得金属阴模板，可以直接作为成形模具在各种管道内壁上压制出仿生减阻表面。
本发明的另一目的是提出一种采用脉冲电铸方法制作复制模板的复制工艺，该复制工艺先将有鳞生物表皮制成生物表皮干燥样本，然后进行样本加固及防水→样本导电层倾斜溅射→电铸前超声波脱气→脉冲电铸制模→加热脱模，最后制得复制模板。本发明的复制工艺充分借助有鳞生物表皮的独特外形和结构特点，直接对生物体进行电铸复型，最终实现有鳞生物体表微观形貌的高逼真复制。
本发明制作有鳞干燥试样表皮的优点：(1)对原有鳞生物表皮采用平面钉板或框架加固进行清洗、固化、脱水、干燥，未破坏生物原型形貌，其原型结构完好率在95％以上；(2)在2.5％戊二醛溶液中化学固定使生物原型结构的机械性能得到有效提高，其硬度和强度提高80％以上；(3)经不同浓度的乙醇溶液脱水后进行烘干使试样表皮的含水率得到有效降低，其含水率低于10％。(4)采用本发明方法能够直接制得金属阴模板，可以直接作为成形模具在各种材质(管道内壁)上压制出仿生减阻表面。(5)阴模板可采用各种金属材料，来源广泛，并且长期重复使用。
附图说明
图1是本发明采用脉冲电铸方法制作生物表皮形貌复制模板的工艺流程框图。
图2是干燥试样表皮置于溅射室的装配示意图。
图3是脉冲电铸的装配示意图。
图4是阔口真鲨的鱼皮表面形貌SEM照片。
具体实施方式
下面将结合附图和实施例对本发明做进一步的详细说明。
参见图1所示，本发明是一种采用脉冲电铸方法制作有鳞生物表皮形貌复制模板的复制方法，其特征在于有下列复制工艺步骤：
第一步：制作有鳞生物表皮样本
(A)将购入的原有鳞生物表皮经去离子水清洗3～6次后，将其在质量百分比浓度为2.5％戊二醛溶液中化学固定6h～8h，化学固定温度0℃～4℃，制得固定试样表皮；
(B)将经(A)步骤制得的固定试样表皮采用去离子水清洗3～6次后，将其依次放入质量百分比浓度50％乙醇溶液中脱水20min～30min、质量百分比浓度75％乙醇溶液中脱水20min～30min、质量百分比浓度95％乙醇溶液中脱水20min～30min、质量百分比浓度100％乙醇溶液中脱水20min～30min，制得脱水试样表皮；
(C)将经(B)步骤制得的脱水试样表皮在50℃～70℃条件下烘8h～12h，制得含水率质量百分比为5％～10％的有鳞生物表皮样本；
为防止原生物表皮皱缩和翘曲，将原生物表皮四周绷在一夹具或者平面板上，所述夹具为常用的相框式框架。在固定、脱水、干燥环节中均采用了框架式夹具，能够使原生物表皮保持平整。
所述的原生物表皮可以是市售鲨鱼皮、金枪鱼鱼皮、旗鱼鱼皮、箭鱼鱼皮或者鲟鱼皮等。对于原生物表皮的挑选，一般选取具有呈菱形排列的盾鳞结构表皮。
此步骤的目的是保持原生物表皮原型结构，通过戊二醛溶液并增加其机械强度，包括硬度和强度。
第二步：有鳞干燥试样表皮样本加固及防水
选取非金属硬质平板作为背衬；所述背衬可以是有机玻璃、玻璃；
将经第一步制得的有鳞干燥试样表皮粘贴在背衬上，形成加固试样；
然后采用环氧树脂胶对加固试样四周进行防水处理，获得防水加固试样；
第三步：生物表皮样本倾斜溅射以制作导电层
参见图2所示，(A)将经第二步处理后的防水加固试样1以安装角β为45°～60°安装在旋转工作台2上，同时保证防水加固试样按顺鳞片方向向上放置，如图4所示，图中箭头方向为顺鳞片方向；
(B)选取靶材，并将靶材分别安装在A夹具3、B夹具4上；
(C)对溅射室5抽真空至真空度为2.0×10-3Pa～3.6×10-3Pa，充入工作气体(氩气或者氮气)；
(D)设定工作压力为0.8Pa～1.5Pa、溅射功率为50W～250W、旋转工作台2转速为5r/min～30r/min，然后对防水加固试样1进行磁控溅射沉积200min～800min后获得电铸试样6；
靶材可以是银、镍、铝、铜单体金属材料，也可以是镍钴合金材料；
第四步：超声脱气
将第三步制得的电铸试样6放入超声槽内进行10min～20min的超声脱气处理；
第五步：脉冲电铸制作复制模板
参见图3所示，(A)将经第四步处理后的电铸试样6放入电铸槽12中，作为电铸时的阴极用；
(B)调节脉冲电源11输出波形为方波，脉冲频率为400Hz～2000Hz，脉冲宽度为0.05ms～1.25ms；
(C)在电流密度为0.5A/dm2～15A/dm2条件下，电铸时间20h～50h制得电铸有鳞生物表皮；
第六步：脱模得复制模板
将第五步制得的电铸有鳞生物表皮放入温度为85℃～100℃的去离子水中加热5min～10min后脱模，得到复制模板。
实施例1：制作阔口真鲨鱼皮铜复制模板
第一步：制作有鳞生物表皮样本
(A)将市售阔口真鲨鱼皮作为生物样本。首先在鱼体侧面部位割取50×50mm新鲜鲨鱼皮，去除皮下组织并用蒸馏水反复清洗3次；然后将洗净的短尾真鲨鱼皮在2.5％戊二醛溶液中化学固定6h，化学固定温度4℃，制得固定试样表皮；
(B)将经(A)步骤制得的固定试样表皮采用去离子水清洗4次后，将其依次放入浓度50％乙醇溶液中脱水30min、浓度75％乙醇溶液中脱水30min、浓度95％乙醇溶液中脱水30min、浓度100％乙醇溶液中脱水30min，制得脱水试样表皮；
(C)将经(B)步骤制得的脱水试样表皮在60℃条件下烘12h，制得含水率质量百分比为6％的有鳞生物表皮样本；
为能够使阔口真鲨鱼皮保持平整，不皱缩、不翘曲，在固定、脱水、干燥环节中将其铺展开绷在一面板上进行处理。
第二步：有鳞干燥试样表皮样本加固及防水
选取有机玻璃平板作为背衬；
将经第一步制得的有鳞干燥试样表皮粘贴在背衬上，形成加固试样；
然后采用环氧树脂胶对加固试样四周进行防水处理，获得防水加固试样；
第三步：生物表皮样本倾斜溅射以制作导电层
(A)将经第二步处理后的防水加固试样1以安装角β为45°安装在旋转工作台2上，同时保证防水加固试样按顺鳞片方向向上放置；
(B)选取纯度大于99.99％的纯铜作为靶材，并将靶材分别安装在A夹具3、B夹具4上；
(C)对溅射室5抽真空至真空度为2.0×10-3Pa，充入工作气体Ar气；
(D)设定工作压力为1.5Pa、溅射功率为150W、旋转工作台2转速为15r/min，然后对防水加固试样1进行磁控溅射沉积600min后获得电铸试样6；
第四步：超声脱气
将第三步制得的电铸试样6放入超声槽内进行20min的超声脱气处理；
第五步：脉冲电铸铜制作复制模板
(A)将经第四步处理后的电铸试样6放入电铸槽12中，作为电铸时的阴极用，所用电铸铜铸液体系配方及操作条件如表所示；
(B)调节脉冲电源11输出波形为方波，脉冲频率为1250Hz，脉冲宽度为0.15ms；
(C)在电流密度为8A/dm2条件下，电铸时间20h制得电铸有鳞生物表皮；
电铸铜铸液体系配方及操作条件
第六步：脱模得复制模板
将第五步制得的电铸有鳞生物表皮放入温度为95℃的去离子水中加热10min后脱模，得到复制模板。
实施例2：制作小吻四鳍旗鱼鱼皮镍复制模板
第一步：制作有鳞生物表皮样本
(A)将购入的小吻四鳍旗鱼鱼皮割取40×40mm经去离子水清洗6次，然后将洗净的原生物表皮在2.5％戊二醛溶液中化学固定8h，化学固定温度2℃，制得固定试样表皮；
(B)将经(A)步骤制得的固定试样表皮采用去离子水清洗4次后，将其依次放入浓度50％乙醇溶液中脱水20min、浓度75％乙醇溶液中脱水20min、浓度95％乙醇溶液中脱水20min、浓度100％乙醇溶液中脱水20min，制得脱水试样表皮；
(C)将经(B)步骤制得的脱水试样表皮在50℃条件下烘10h，制得含水率质量百分比为10％的有鳞生物表皮样本；
为能够使小吻四鳍旗鱼鱼皮保持平整，不皱缩、不翘曲，在固定、脱水、干燥环节中将其铺展开绷在一面板上进行处理。
第二步：有鳞干燥试样表皮样本加固及防水
选取有机玻璃平板作为背衬；
将经第一步制得的有鳞干燥试样表皮粘贴在背衬上，形成加固试样；
然后采用环氧树脂胶对加固试样四周进行防水处理，获得防水加固试样；
第三步：生物表皮样本倾斜溅射以制作导电层
(A)将经第二步处理后的防水加固试样1以安装角β为60°安装在旋转工作台2上，同时保证防水加固试样按顺鳞片方向向上放置；
(B)选取纯度大于99.99％的纯铜作为靶材，并将靶材分别安装在A夹具3、B夹具4上；
(C)对溅射室5抽真空至真空度为3.0×10-3Pa，充入工作气体Ar气；
(D)设定工作压力为1.2Pa、溅射功率为100W、旋转工作台2转速为20r/min，然后对防水加固试样1进行磁控溅射沉积300min后获得电铸试样6；
第四步：超声脱气
将第三步制得的电铸试样6放入超声槽内进行15min的超声脱气处理；
第五步：脉冲电铸镍制作复制模板
(A)将经第四步处理后的电铸试样6放入电铸槽12中，作为电铸时的阴极用，所用电铸镍铸液体系配方及操作条件如表所示；
(B)调节脉冲电源11输出波形为方波，脉冲频率为2000Hz，脉冲宽度为0.1ms；
(C)在电流密度为5A/dm2条件下，电铸时间30h制得电铸有鳞生物表皮；
微电铸镍铸液体系配方及操作条件
第六步：脱模得复制模板
将第五步制得的电铸有鳞生物表皮放入温度为90℃的去离子水中加热10min后脱模，得到复制模板。
Claims (4)
1、一种采用脉冲电铸方法制作有鳞生物表皮形貌复制模板的复制方法，其特征在于有下列复制工艺步骤：
第一步：制作有鳞生物表皮样本
(A)将购入的原有鳞生物表皮经去离子水清洗3～6次后，将其在质量百分比浓度为2.5％戊二醛溶液中化学固定6～8h，化学固定温度0～4℃，制得固定试样表皮；
(B)将经(A)步骤制得的固定试样表皮采用去离子水清洗3～6次后，将其依次放入浓度50％乙醇溶液中脱水20～30min、浓度75％乙醇溶液中脱水20～30min、浓度95％乙醇溶液中脱水20～30min、浓度100％乙醇溶液中脱水20～30min，制得脱水试样表皮；
(C)将经(B)步骤制得的脱水试样表皮在50～70℃条件下烘8～12h，制得含水率质量百分比为5～10％的有鳞生物表皮样本；
第二步：有鳞干燥试样表皮样本加固及防水
选取非金属硬质平板作为背衬；所述背衬可以是有机玻璃、玻璃；
将经第一步制得的有鳞干燥试样表皮粘贴在背衬上，形成加固试样；
然后采用环氧树脂胶对加固试样四周进行防水处理，获得防水加固试样；
第三步：生物表皮样本倾斜溅射以制作导电层
(A)将经第二步处理后的防水加固试样(1)以安装角β为45°～60°安装在旋转工作台(2)上；
(B)选取靶材，并将靶材分别安装在A夹具(3)、B夹具(4)上；
(C)对溅射室(5)抽真空至真空度为2.0×10-3Pa～3.6×10-3Pa，充入工作气体；
(D)设定工作压力为0.8Pa～1.5Pa、溅射功率为50W～250W、旋转工作台(2)转速为5r/min～30r/min，然后对防水加固试样(1)进行磁控溅射沉积200min～800min后获得电铸试样(6)；
靶材可以是银、镍、铝、铜单体金属材料，也可以是镍钴合金材料；
第四步：超声脱气
将第三步制得的电铸试样(6)放入超声槽内进行10min～20min的超声脱气处理；
第五步：脉冲电铸制作复制模板
(A)将经第四步处理后的电铸试样(6)放入电铸槽(12)中，作为电铸时的阴极用；
(B)调节脉冲电源(11)输出的波形为方波，脉冲频率为400HZ～2000HZ，脉冲宽度为0.05ms～1.25ms；
(C)在电流密度为0.5A/dm2～15A/dm2条件下，电铸时间20h～50h制得电铸有鳞生物表皮；
第六步：脱模得复制模板
将第五步制得的电铸有鳞生物表皮放入温度为85℃～100℃的去离子水中加热5min～10min后脱模，得到复制模板。
2、根据权利要求1所述的有鳞生物表皮形貌复制模板的复制工艺，其特征在于：第一步中的原有鳞生物表皮是金枪鱼鱼皮、鲨鱼鱼皮、鲟鱼鱼皮、旗鱼鱼皮或者箭鱼鱼皮。
3、根据权利要求1所述的有鳞生物表皮形貌复制模板的复制工艺，其特征在于：制得的复制模板直接作为复制仿生减阻蒙皮的模具。
4、根据权利要求1所述的有鳞生物表皮形貌复制模板的复制工艺，其特征在于：制得复制模板与原有鳞生物表皮形貌具有90％～95％逼真度。
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