CN102673730A - 一种仿鲨鱼粘液表释减阻结构的制作方法 - Google Patents

Abstract

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。

Description

一种仿鲨鱼粘液表释减阻结构的制作方法

(一)技术领域

本发明涉及一种粘液微孔表释减阻技术的制造方法，更特别地说，是涉及一种仿鲨鱼粘液表释减阻结构的制作方法，它是一种模仿鲨鱼粘液体表释放机理以水下航行器为应用对象的减阻粘液表释结构的制作工艺，属于仿生与生物制造技术领域。

(二)背景技术

节能减排与绿色环保是当今世界发展主题，“十二五规划”指出，我们应该“促进经济社会发展与人口资源环境相协调，走可持续发展之路。”

仿生与生物制造技术是在这一大背景下逐渐发展起来的新兴技术领域。表面减阻是实现航行器节能的有效途径之一，而仿生与生物制造是实现表面减阻的有效手段。航行器为克服表面摩阻而耗费的能量是当今世界能源消耗的重要组成部分，而自然界很多生物经过上亿年的进化形成了具有低阻特性的表皮，模仿鲨鱼等低阻生物的表皮特性减小航行器表面摩阻将会产生巨大的节能减排效应。

很多鱼类皮肤表面可以分泌粘液，这种粘液除可作为一种渗透性的屏障来保护它们防御菌类外，还可以起减小边界层摩擦的作用。游速较快的鲨鱼除借助带有微沟槽结构的微鳞片降低表皮摩擦阻力外，还通过缓慢分泌粘液来实现瞬时机动和高速巡游。鲨鱼体表粘液分泌和减阻机制是一个粘液可动态补充且能智能投送并在鲨鱼皮表面释放的复杂体系，人们经过大量的研究发现，该体系可抽象为以下模型：减阻粘液通过皮肤表层下方的微流道输送到需要表面释放的各个位置；再通过均匀分布的表面微孔阵列缓慢释放到表面，实现减阻作用。

(三)发明内容

1、目的：本发明的目的是提供一种仿鲨鱼粘液表释减阻结构的制作方法，它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及其制造方法，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。

2、技术方案：本发明一种仿鲨鱼粘液表释减阻结构的制作方法，包括表释微孔的排布优化设计和表释结构的制作方法。如图1，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，本发明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的越均匀，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(见图2)，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(gd＜S，且C(d，0，0)小到可以忽略)，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X向间距为l，l＝g/p；表释微孔的Y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(图2中阴影部分)定义为区域D，区域D的长度和宽度如图2所示，高度为湍流边界层的内层厚度ξ，其计算方法为：

$\mathrm{\ξ}=\frac{1000\sqrt{2}\mathrm{\υ}}{u\sqrt{C_f}}---\left(1\right)$

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，如图2所示，区域D中浓度分布的表达式如式(2)所示。

$C_D(x,y,z)=\underset{i=0}{\overset{i\≤p-1}{\mathrm{\Σ}}}\underset{j=0}{\overset{j\≤q-1}{\mathrm{\Σ}}}\frac{m_1}{2\mathrm{\πx}{E}_x}\left(\exp \right[-\frac{u_x({(y+\mathrm{je})}^2+z^2)}{4(x+\mathrm{il})E_x}]+[\exp -\frac{u_x({(y-\mathrm{je})}^2+z^2)}{4(x+\mathrm{il})E_x}\left]\right)---\left(2\right)$

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X向间距，e为表释微孔的Y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bd＜＜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)......(xN，yN，zN)，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pmax和横向上孔数量的最大值qmax，以上约束的数学表达如式(3)所示：

$\left\{\begin{array}{c}n=\mathrm{Num}(C_D(x_i,y_i,z_i)\≥C^{\′})\≥\mathrm{N\η}\\ p\≤p_{\max },q\≤q_{\max }\end{array}\right.---\left(3\right)$

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。若计算无解可适当调节预设参数(C₀、t、C′、η等)的取值，使其能够求解。

步骤二：表释微流道的优化设计

表释微流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，将微流道截面取为矩形，由此建立起表释微流道的模型，如图3所示。

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的主路微流道和长度为b/2的支路微流道。设主路微流道的截面长度为S₁，截面高度为H₁，距顶部的深度为h₁；支路微流道的截面长度为S₂，截面高度为H₂，距顶部的深度为h₂，表释微孔的半径为r，如图4所示。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，纵向指平行主路微流道方向(下同)有p₀个微孔，横向指平行支路微流道方向(下同)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条支路微流道，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，主路微流道的末端压力为P₁，在主路微流道上的压降损失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，在支路微流道的压降损失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。

由于微流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，因此需要对微流道内的最大压强进行约束。

根据图5A及5B所示的力学模型(沿通道方向取一段长度为b的小段，可看成受均布载荷作用的梁)，根据材料力学知识可知，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]，则可以保证蒙皮不会破裂，其表达式为：

Pl²/(2h²)≤[σ]    (4)

p为微流道内液体压力，l为表释微孔的X方向间距，h为微流道的深度。

总结以上分析，表释微流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，则可以适当调整预设参数的取值。

$\left\{\begin{array}{c}\mathrm{\&Delta;}{P}_2/(\mathrm{\&Delta;}{P}_2+\mathrm{\&Delta;}{P}_1)>{\mathrm{\&lambda;}}_2\\ (\mathrm{\&Delta;}{P}_2+\mathrm{\&Delta;}{P}_1)/(\mathrm{\&Delta;}{P}_2+\mathrm{\&Delta;}{P}_1+\mathrm{\&Delta;}{P}_0)>{\mathrm{\&lambda;}}_1\\ (P_0-P_{\mathrm{out}})S_0^2/\left(2h_0^2\right)<\left[\mathrm{\&delta;}\right]\\ (P_1-P_{\mathrm{out}})S_1^2/\left(2h_1^2\right)<\left[\mathrm{\&delta;}\right]\\ P_0<P_{\max }\end{array}\right.---\left(5\right)$

P₀为入口压强，P₁为主路微流道的末端压力，ΔP₀为主路微流道上的压降损失，ΔP₁为支路微流道的压降损失，ΔP₂为液体流过半径为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为主路微流道的截面距顶部的深度，h₂为支路微流道距顶部的深度。

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，再制造出带有微流道的底层蒙皮，最后将两者结合形成微流道结构如图6所示。本发明则在此基础上略做改进，先制造出既有鲨鱼皮形貌又有微孔的蒙皮，再与带有微流道的基板键合形成形貌与粘液表释复合结构，下面分别对粘液表释结构制造过程中的几种工艺展开研究：

本发明加工复合结构蒙皮的方法主要包括三步：一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；

本发明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，主要过程包括清洗、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，即可完成固定过程。

(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：本发明使用电热鼓风干燥箱(型号：101-3AS，南京沃环)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，即可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；

本发明选择缩合型双组份(A、B双组份)室温硫化硅橡胶RTV-2875(购自山东淄博汉王公司)作为制备弹性阴模板的材料，其中A组分包括基胶、填料、交联剂等，B组分为催化剂，鲨鱼皮阴模板的制备主要包括硅橡胶浇注→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(A组份用量一般为240g/180mm×150mm×9mm)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(DZF-6020，购自上海一恒科技有限公司)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，但对于橡胶等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，具体工艺流程如图7所示：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(也可用机械法剪除)，然后根据制作蒙皮表面的小孔数量施加一定的力(一般是0.05N/孔)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(见图7a)，再向阴模板中浇注经过真空脱气后的双组份环氧树脂(双酚A环氧树脂——水性环氧乳液(AB-EP-44)及水性环氧固化剂(AB-HGF)，均购自浙江安邦新材料发展有限公司)(见图7b)，待环氧树脂完全固化以后(见图7c)，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(见图7d)。在多数情况下，待蒙皮固化后直接抽取金属丝即可得到微孔。

采用抽丝塑模法制备表释微孔的工艺流程(图8a-图8f)

①将金属丝固定在硬质底板上，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(见图8a)；

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，具体方法是将硬质底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联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底板平行(见图8b)；

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(见图8c)；

④待硅橡胶固化以后，在硅橡胶表面浇注预聚态蒙皮材料(双酚A环氧树脂——水性环氧乳液(AB-EP-44)及水性环氧固化剂(AB-HGF)，均购自浙江安邦新材料发展有限公司)(见图8d)；

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(见图8e、8f)。

步骤四：微流道基板的制造工艺

本文先利用微铣削法在铝板上加工出微流道的阴模板，再利用微塑铸法实现带有微流道蒙皮的成形加工，如图9所示：

①根据主路、支路微流道的尺寸和分布路径，采用微铣削方法加工出与微流道结构相同的凸起模板，要注意微流道的分布应与表释微孔的分布相对应(见图9a)。

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(室温8h以上)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流道(见图9b、图9c)。

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(见图10a)。

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(室温8h以上)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(见图10b)。

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(见图11a)，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，参考值为每平方厘米的面积施加预紧力大小为0.2N-1N(见图11b)。待粘胶固化以后，即得到鲨鱼皮形貌与粘液表释复合蒙皮。

3、优点及功效：本发明制作减阻粘液表释结构的优点：(1)模仿鱼类释放粘液的机理，对微孔的孔径和排布方式及微流道的分支和截面形状进行设计优化，实现对粘液的高效利用。(2)可以通过对粘液释放量的控制实现对航行器瞬时减阻率的有效调控，进一步提高减阻效率和粘液的利用率(3)该结构制作工艺简单、效率高、成本低，具有较强的可操作性和较好的实用性。

(四)附图说明

图1是本发明仿鲨鱼粘液释放机理制作粘液表释减阻结构的工艺流程图。

图2是粘液表释微孔分布的示意图。

图3是粘液表释微流道流动模型示意图。

图4是微流道参数模型图。

图5A是粘液表释微流道受力示意图。

图5B是粘液表释微流道简化模型图。

图6a是粘液表释微流道的封装键合前示意图

图6b是粘液表释微流道的封装键合后示意图

图7a是安装在硬质板上的金属丝阵列置于硅橡胶阴模板示意图

图7b是向阴模板中浇注经过真空脱气的环氧树脂(液态)示意图

图7c是环氧树脂已固化的仿鲨鱼皮形貌表释微孔集成蒙皮示意图

图7d是经弹性脱模和去除金属丝后制备的表释微孔集成蒙皮示意图

图8a是按照优化结果将金属丝排列效果图

图8b是电解液修齐金属丝的方法示意图

图8c是阵列金属丝贯穿已流平硅橡胶层示意图

图8d是硅橡胶固化后表面浇注预聚态蒙皮材料示意图

图8e是蒙皮材料固化后去除硅橡胶层示意图

图8f是去除金属丝制得光滑表面蒙皮效果图

图9a是微铣削法在铝板上加工的凸起模板示意图

图9b是向凸起模板表面倾倒预聚体示意图

图9c是预聚体材料固化后蒙皮与模板脱离示意图

图10a是底层和顶层蒙皮定位孔位置示意图

图10b是底层蒙皮涂胶位置示意图

图11a是利用引导杆定位底层和顶层蒙皮对应位置示意图

图11b是底层和顶层蒙皮位置对准后施加预紧力方向示意图

图12是实施例中计算表释微孔排布方式对高聚物浓度分布影响图

图中符号说明如下：

1-表释微孔；2-表释微流道；3-顶层盖板；4-底层基板；5-硬质板；6-金属丝；7-纱网；8-固定杆；9-电解液；10-直流电源；11-定位孔；12-脊形表面；13-引导杆。

(五)具体实施方式

下面将结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。

参见图1所示，本发明一种仿鲨鱼粘液表释减阻结构及其制作方法，该方法具体步骤如下：

步骤一：表释微孔1的优化设计

鱼类的粘液腺及表面细胞通常呈随机均匀分布，本发明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，相同的面积上微孔的数量越多则高聚物分散的越均匀，减阻效果越好；从工艺优化的角度考虑，蒙皮的微孔越少则制造工艺越简单，对表释微孔1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，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(gd＜＜S，且C(d，0，0)小到可以忽略)，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1的X向间距为l，l＝g/p；表释微孔1的Y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(图2中阴影部分)定义为区域D，区域D的长度和宽度如图2所示，高度为湍流边界层的内层厚度ξ，其计算方法见式(1)：

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，如图2所示，区域D中浓度分布的表达式如式(2)所示。

如果区域D的高聚物浓度能够达到预期目标C’，由于bd＜＜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)......(xN，yN，zN)，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、横向上微孔的数量能够小于制造工艺所能接受的纵向上微孔数量的最大值pmax和横向上孔数量的最大值qmax，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。若计算无解可适当调节预设参数(C₀、t、C′、η等)的取值，使其能够求解。

步骤二：表释微流道2的优化设计

表释微流道2是将粘液从主输入口传输到表释微孔1的流通渠道，从工艺简化、易于制造的角度考虑，将微流道截面取为矩形，微流道的制造由顶层盖板3和底层基板4封装后得到，并由此建立起表释结构的模型，如图3所示。

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1与主输入口之间存在长度为a/2的主路微流道和长度为b/2的支路微流道。设主路微流道的截面长度为S₁，截面高度为H₁，距顶部的深度为h₁；支路微流道的截面长度为S₂，截面高度为H₂，距顶部的深度为h₂，表释微孔1的半径为r，如图4所示。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，纵向指平行主路微流道方向(下同)有p₀个微孔，横向指平行支路微流道方向(下同)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条支路微流道，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，主路微流道的末端压力为P₁，在主路微流道上的压降损失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，在支路微流道的压降损失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。

由于微流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，因此需要对微流道内的最大压强进行约束。

根据图5A及5B所示的力学模型(沿通道方向取一段长度为b的小段，可看成受均布载荷作用的梁)，根据材料力学知识可知，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]，则可以保证蒙皮不会破裂，其表达式见式(4)：

总结以上分析，表释微流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，则可以适当调整预设参数的取值。

步骤三：阵列微孔的制造工艺

本发明试验所用蒙皮材料为环氧树脂，孔径约在0.2mm～2mm之间，深径比约10～20，用钻孔法、激光法、微丝塑模法都可以加工。从加工设备的可利用性考虑，使用激光加工的难度较大；从材料特性方面考虑，从材料加工特性方面考虑，环氧树脂具有较好的弹性和韧性，用钻削法难以保证孔的加工精度和表面质量；微丝塑模法适用于环氧树脂的微孔成形，并且孔的成形精度高、表面质量好，加工效率高，因此，本发明采用微丝塑模法实现阵列微孔的成形：即先用微丝在液态聚合物中模塑，固化后去除微丝形成微孔，只要选择合适直径的金属丝，就能得到相应直径的微孔。在多数情况下，待蒙皮固化后直接抽取金属丝即可得到微孔。图6(a)、(b)是粘液表释微流道2由顶层盖板3、底层基板4的封装键合前、后示意图；图7(a)、(b)、(c)是仿鲨鱼皮形貌与表释微孔1集成蒙皮制备工艺示意图。

采用抽丝塑模法制备表释微孔1的工艺流程(图8a-图8f)

①将金属丝6固定在硬质板5上，并按照表释孔排布优化的结果将金属丝6间隔一定间距排列，为防止发生错动，使用固定杆8进行固定，排列时同时用纱网7做辅助定位工具，保证间隔的准确性和均匀性(见图8a)；

②经过弯折的金属丝6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5放置于电解液9液面上方并与液面平行，使金属丝6的顶端没于电解液9内。将金属丝6与硬质板5相联的部分连接直流电源10的正极，金属丝6没入电解液9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6顶端与硬质板5平行(见图8b)；

③将金属丝6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6能够贯穿蒙皮上下表面(见图8c)；

④待硅橡胶固化以后，在硅橡胶表面浇注预聚态蒙皮材料(双酚A环氧树脂——水性环氧乳液(AB-EP-44)及水性环氧固化剂(AB-HGF)，均购自浙江安邦新材料发展有限公司)(见图8d)；

⑤待蒙皮材料固化后，先将底部的硅橡胶揭去，再将金属丝6抽出，最后得到表面具有规则排列微孔的光滑表面蒙皮(见图8e、8f)。

步骤四：微流道的制备工艺

本文先利用微铣削法在铝板上加工出微流道的阴模板，再利用微塑铸法实现带有微流道蒙皮的成形加工，如图9所示：

①根据主路、支路微流道的尺寸和分布路径，采用微铣削方法加工出与微流道结构相同的凸起模板，要注意表释微流道2的分布应与表释微孔1的分布相对应(见图9a)。

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(室温8h以上)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流道(见图9b、图9c)。

步骤五：粘液表释结构的封装工艺

将制造出的顶层盖板3和底层基板4两者涂胶，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1与底层蒙皮微流道的位置对准并打定位孔11，从而保证完成封装后高聚物粘液能沿主通道从各表释微孔1顺利流出(见图10a)。

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(室温8h以上)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形表面12(见图10b)。

③粘接。涂胶后依照定位孔11的位置在引导杆13的辅助下将两张蒙皮对接(见图11a)，并用压板施加一定预紧力，预紧力的大小既要满足顶层盖板3与底层基板4的粘合要求，又不能因用力过大致使蒙皮变形，参考值为每平方厘米的面积施加预紧力大小为0.2N-1N(见图11b)。待粘胶固化以后，即得到鲨鱼皮形貌与粘液表释复合蒙皮。

实施例1：

利用灰鲭鲨制作针对流阻压差测试系统的仿鲨鱼粘液表释结构。

制作的仿鲨鱼粘液表释结构目的是利用流阻压差系统测试减阻率，流阻压差系统的测试段直径为53mm，长度为500mm，粘贴2mm厚的蒙皮后直径变为49mm，内壁的周长约154mm。

步骤一：表释孔排布方式的优化设计

按照前一节中的优化方法进行计算，对宽度b＝40mm，长度c＝80mm的一块区域进行分析：

流阻压差测试系统的有效测试区域约在流量为40m³/h～60m³/h的范围内，取中间位置处当流量为50.9m³/h(即流速为7.5m/s)时的情况进行分析。

此时测试段的雷诺数为：

$\mathrm{Re}=\frac{\mathrm{vd}}{\mathrm{\&upsi;}}=\frac{7.5m/s\&times;0.049m}{0.804\&times;{10}^5{m}^2/s}=4.575\&times;{10}^5---\left(6\right)$

测试段的沿程阻力系数为：

λ＝0.032+0.221Re^-0.237＝0.042    (7)

管道内横向湍流扩散系数为：

$E_x=u^{*}{r}_0=\sqrt{\frac{\mathrm{\&tau;}}{\mathrm{\&rho;}}}\&CenterDot;r_0=\sqrt{\frac{C_f}{2}}\&CenterDot;u_0{r}_0=\sqrt{\frac{\mathrm{\&lambda;}}{8}}\&CenterDot;u_0{r}_0---\left(8\right)$

$=\sqrt{\frac{0.042}{8}}\&times;7.5m/s\&times;\frac{49}{2}\mathrm{mm}=0.01331m^2/s$

区域D的高度为：

$\mathrm{\&xi;}=\frac{1000\mathrm{\&upsi;}}{u\sqrt{C_f/2}}=\frac{1000\mathrm{\&upsi;}}{u\sqrt{\mathrm{\&lambda;}}/8}=\frac{1000\&times;0.804\&times;{10}^{-6}{m}^2/s}{7.5m/s\&times;\sqrt{0.042/8}}\&ap;1.5\mathrm{mm}---\left(9\right)$

本发明选择一种常用的高聚物减阻剂——聚丙烯酰胺代替鲨鱼粘液开展试验。聚丙烯酰胺(简称PAM)的化学式为[-CH₂CH(CONH₂)-]_x，其分子量一般在五百万以上，是一种易溶于水的线性高分子聚合物，其水溶液为几近透明的粘稠液体，无毒，无腐蚀性。聚丙烯酰胺分子中具有阳性基因(-CONH2)，能与分散在溶液中的悬浮粒子吸附和架桥，具有降阻性且稳定性好。

高聚物粘液选用质量浓度为1％(聚丙烯酰胺质量与去离子水质量比为1∶100)的聚丙烯酰胺溶液，经过磁力搅拌器充分搅拌20min以上即可得到。试验计划半个测试段的减阻液注入速度为2ml/s，区域A约占半个测试段面积的十分之一，因此区域A的高聚物注入速度为2ml/s×1g/ml×1％×1/10＝0.002g/s。

在区域D中取均匀分布的1000个点进行考察，设定的预期目标浓度C′为10ppm，(1ppm为百万分之一)，设定预期目标浓度的比例系数η为0.75，即如果这1000个点中有750个点的浓度达到预期目标浓度，则认为满足浓度要求。

设定p_max＝10，q_max＝10，以减少支路微流道数量p为主要目标，对表释孔排列方式进行优化，优化方法是分别将p、q的值按3，5，6......10依次变化，根据式(3)计算区域D到达目标浓度时p的最小值。在Mathematica中对以上内容进行编程计算，求解p、q的取值与达到目标浓度的点数量之间的关系，求解结果如图12所示。

由图中可以看出，p的数值与达到目标浓度点的数量有密切关系，p的数值越大则能达到目标浓度点的数量则越多，能达到750个点且p值尽可能低的情况为p＝6，q＝8的情况，即纵向80mm的距离内需要有6排孔，纵向孔距约13.5mm；横向40mm的距离内需要8排孔，横向孔距为5mm。

步骤二：表释微流道2的优化设计

根据流阻压差测试系统的测试段为两个半圆管的特点，拟从每个半圆管的中间位置注入高聚物，半个测试段的表面为500mm×77mm的区域，根据上一步的优化结果，表释微孔1的纵向间距(即支路微流道的间距)为13.5mm，表释微孔1的横向间距为5mm，由于边缘部分需要多留出一定距离做密封用，故半圆管表面微孔的纵向数量p₀＝36，微孔的横向数量q₀＝14，微孔的总数量为504个。每个半圆管的高聚物计划流量为2ml/s，则每条支路微流道的计划流量为Q₁＝27.8μl/s，从每个微孔渗出减阻液的流量Q₂＝3.97μl/s。

根据表释蒙皮制备工艺的特点，主路微流道和支路微流道的高度H₁、H₂都为1mm，高聚物粘液的粘度由旋转粘度计(BROOKFIELD MODEL DV-III)在室温25℃时进行测量，测得的结果是1％的聚丙烯酰胺溶液在极低的剪切速率下其动力粘度为136Pa/s。三通的压降损失系数ξ＝14。并设定压降比例系数λ₁＝0.8、λ₂＝0.7，环氧树脂的拉伸许用应力约为45MPa，弹性模量约3.6GPa，设定最大翘曲高度δ_f＝0.05mm。

以减少入口压力P₀为目标，将以上参数值代入式(5)为约束条件，利用优化软件Lingo对S₁、S₂、r的值进行优化求解，最后得出S₁≈11mm，S₂≈6mm，r≈0.8。

步骤三：基于测试段的仿鲨鱼粘液表释减阻蒙皮制备

根据表释微孔1和表释微流道2的优化结果制备仿鲨鱼粘液表释减阻蒙皮，并安装在流阻压差系统的测试段上。鉴于表释孔径的优化结果r≈0.8，本文选用Φ0.8mm的钢丝作为模具，利用抽丝塑模法制备带有表释微孔的蒙皮。由于Φ0.8mm的钢丝已经具备一定强度，在实际制备时省去了借助电解使金属丝底端平齐的过程，而是在硬质板5上安装金属丝6阵列后，通过施加一定的压力使其底端平齐。

(一)制作鲨鱼皮生物模板

本发明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，主要过程包括清洗、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，即可完成固定过程。

(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：本发明使用电热鼓风干燥箱(型号：101-3AS，南京沃环)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，即可完成全部预处理过程。

(二)制备硅橡胶质鲨鱼皮阴模板

本发明选择缩合型双组份(A、B双组份)室温硫化硅橡胶RTV-2875(购自山东淄博汉王公司)作为制备弹性阴模板的材料，其中A组分主要包括基胶、填料、交联剂等，B组分为催化剂，鲨鱼皮阴模板的制备主要包括硅橡胶浇注→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(DZF-6020，购自上海一恒科技有限公司)中进行真空脱气，保持真空度小于0.1bar，脱气约5min。同时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。

(三)仿鲨鱼皮形貌与表释微孔集成蒙皮的制备

(A)将金属丝6固定在硬质板5上，并按照表释孔排布优化的结果(纵向间距，即支路微流道的间距，为13.5mm，表释孔的横向间距为5mm)将金属丝6排列，排列时可用纱网7做辅助定位工具，保证间隔的准确性和均匀性；

(B)经过弯折的金属丝6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5放置于电解液9液面上方并与液面平行，使金属丝6的顶端没于电解液9内。将金属丝6与硬质板5相联的部分连接直流电源10的正极，使金属丝6没入电解液9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6顶端与硬质板5平行；

(C)将金属丝6头部没入表面已经流平的硅橡胶表面以保证金属丝6能够贯穿蒙皮上下表面；

(D)待硅橡胶固化以后，在硅橡胶表面浇注预聚态蒙皮材料(蒙皮采用环氧树脂为水性双酚A环氧树脂——水性环氧乳液(AB-EP-44)及水性环氧固化剂(AB-HGF)，均购自浙江安邦新材料发展有限公司)；待蒙皮材料固化后，向蒙皮上表面倾倒硅橡胶，对蒙皮上部的金属丝6形成保护层，再将蒙皮下部的硅橡胶去除，露出金属丝6；

(E)将蒙皮完全浸入电解液9中，使电解液9的液面高度达到蒙皮上部硅橡胶约一半的位置处，然后将金属丝9接直流电源10的正极将金属丝溶解；

(F)将蒙皮与其上部的硅橡胶分离，得到表面具有规则排列微孔的光滑表面蒙皮。

步骤四：微流道的制备

(A)采用微铣削方法在铝板上加工出与微流道结构尺寸(主路宽8mm，支路宽4mm，高度1mm))相同的凸起模板，微流道的分布应与表释微孔的分布相对应。

(B)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流道。

步骤五：复合粘液表释结构的封装

(A)定位：在涂胶前先将顶层蒙皮的表释微孔1与底层蒙皮微槽的位置对准并打定位孔11，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。

(B)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(室温8h以上)在底层蒙皮表面涂胶(粘结胶为704硅橡胶)，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，这样粘胶只涂覆在微槽间隔的脊柱表面，实现了对微流道的保护。

(C)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20N左右的预紧力。待粘胶固化以后，制得仿鲨鱼粘液表释蒙皮。

Claims (1)

1.一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的越均匀，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X向间距为l，l＝g/p；表释微孔的Y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：

$\mathrm{\&xi;}=\frac{1000\sqrt{2}\mathrm{\&upsi;}}{u\sqrt{C_f}}---\left(1\right)$

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，

$C_D(x,y,z)=\underset{i=0}{\overset{i\&le;p-1}{\mathrm{\&Sigma;}}}\underset{j=0}{\overset{j\&le;q-1}{\mathrm{\&Sigma;}}}\frac{m_1}{2\mathrm{\&pi;x}{E}_x}\left(\exp \right[-\frac{u_x({(y+\mathrm{je})}^2+z^2)}{4(x+\mathrm{il})E_x}]+[\exp -\frac{u_x({(y-\mathrm{je})}^2+z^2)}{4(x+\mathrm{il})E_x}\left]\right)---\left(2\right)$

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X向间距，e为表释微孔的Y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bd＜＜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)......(xN，yN，zN)，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pmax和横向上孔数量的最大值qmax，以上约束的数学表达如式(3)所示：

$\left\{\begin{array}{c}n=\mathrm{Num}(C_D(x_i,y_i,z_i)\&GreaterEqual;C^{\&prime;})\&GreaterEqual;\mathrm{N\&eta;}\\ p\&le;p_{\max },q\&le;q_{\max }\end{array}\right.---\left(3\right)$

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有p₀个微孔，横向指平行支路微通道方向有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X方向间距，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；

$\left\{\begin{array}{c}\mathrm{\&Delta;}{P}_2/(\mathrm{\&Delta;}{P}_2+\mathrm{\&Delta;}{P}_1)>{\mathrm{\&lambda;}}_2\\ (\mathrm{\&Delta;}{P}_2+\mathrm{\&Delta;}{P}_1)/(\mathrm{\&Delta;}{P}_2+\mathrm{\&Delta;}{P}_1+\mathrm{\&Delta;}{P}_0)>{\mathrm{\&lambda;}}_1\\ (P_0-P_{\mathrm{out}})S_0^2/\left(2h_0^2\right)<\left[\mathrm{\&delta;}\right]\\ (P_1-P_{\mathrm{out}})S_1^2/\left(2h_1^2\right)<\left[\mathrm{\&delta;}\right]\\ P_0<P_{\max }\end{array}\right.---\left(5\right)$

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为液体流过半径为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，h₂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——双酚A环氧树脂-水性环氧乳液AB-EP-44及水性环氧固化AB-HGF；

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，参考值为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。

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