CN102886923A - 提高机械运动部件表面抗冲蚀性能的耦合仿生结构 - Google Patents

提高机械运动部件表面抗冲蚀性能的耦合仿生结构 Download PDF

Info

Publication number
CN102886923A
CN102886923A CN2012104074664A CN201210407466A CN102886923A CN 102886923 A CN102886923 A CN 102886923A CN 2012104074664 A CN2012104074664 A CN 2012104074664A CN 201210407466 A CN201210407466 A CN 201210407466A CN 102886923 A CN102886923 A CN 102886923A
Authority
CN
China
Prior art keywords
layer
inner layer
erosion
groove
mechanical moving
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
CN2012104074664A
Other languages
English (en)
Inventor
韩志武
尹维
张俊秋
刘庆平
江佳廉
戈超
任露泉
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Jilin University
Original Assignee
Jilin University
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Jilin University filed Critical Jilin University
Priority to CN2012104074664A priority Critical patent/CN102886923A/zh
Publication of CN102886923A publication Critical patent/CN102886923A/zh
Pending legal-status Critical Current

Links

Images

Landscapes

  • Structures Of Non-Positive Displacement Pumps (AREA)

Abstract

本发明公开了一种提高机械运动部件表面抗冲蚀性能的耦合仿生结构，本发明是基于沙漠蝎子背部特征，来设计部件表面抗冲蚀性能的耦合仿生结构；本发明由内层和外层构成，外层为硬质材料层，内层柔性材料层，外层材料硬度高于内层材料，内层和外层紧密结合在一起，外层具有平行的沟槽表面形态，所述沟槽的脊上规则地分布有凸包；所述外层和内层的厚度比为1~2；本发明与光滑的表面相比，冲蚀磨损率提高了6.0%~32.8%。

Description

提高机械运动部件表面抗冲蚀性能的耦合仿生结构
技术领域
本发明涉及一种表面仿生结构，特别涉及一种提高机械运动部件表面抗冲蚀性能的耦合仿生结构。
背景技术
冲蚀磨损是指含有粒子的流体流过材料表面时，流体对材料造成的磨损。冲蚀磨损在风机、水泵、涡轮叶片、螺旋桨等方面广泛存在，特定环境下是这些机械磨损的主要原因。
国内外工程技术人员主要是从材料学的角度出发，来提高材料表面抗冲蚀性能。现已采用的主要技术途径有：
1、新材料，通过材料合金化和不同性质的材料复合开发新抗冲蚀材料，如具有形状记忆性能的Ti-Ni合金和纤维增强C-PPS复合材料；
2、材料改性技术，通过热处理技术和改变成型及加工工艺等改变材料的显微组织和应力状况，从而达到提高材料抗冲蚀性能的目的；
3、表面强化技术，通过表面涂覆、表面改性或者多种表面技术复合处理，改变材料表面的化学成分、显微组织和应力状况，达到抗冲蚀效果。
这些技术都是通过改变材料整体或者表面性能来提高抗冲蚀性能。运用新材料提高耐冲蚀性，技术难度较大，工程周期长，成本高；通过热处理等改性方法提高耐冲蚀性，受材料本身机械性能限制，效果有限；表面强化技术，涂层结合强度有限，容易脱落，制造工艺复杂，成本高。
发明内容
本发明的目的是提供一种提高机械运动部件表面抗冲蚀性能的耦合仿生结构。本发明结合现有材料学和材料表面工程技术，从仿生学角度出发，设计出可以通过凹槽和凸包的尺寸和分布、硬质层和柔性层的硬度、厚度等多种因素的可控变化，降低材料在冲蚀过程中的冲蚀率，提高其抗冲蚀性能。
本发明基于沙漠蝎子背部特征，来设计部件表面抗冲蚀性能的耦合仿生结构。
本发明由内层和外层构成，外层为硬质材料层，内层柔性材料层，外层材料硬度高于内层材料，内层和外层紧密结合在一起，外层具有平行的沟槽表面形态，所述沟槽的脊上规则地分布有凸包。
所述外层和内层的厚度比为1~2。
本发明的有益效果：
本发明不改变材料性质，只在其表面设置仿生优化的抗冲蚀形态，并且通过异种材料的复合，显著提高其抗冲蚀性能。本发明不改变材料原有理化特性，这种方法尤其适合于某些特定机械，如飞机发动机涡轮叶片，医疗器械的水泵等，这些机械对材料化学性质要求严格，通过改变材料理化特性以及表面涂层方法难以达到使用要求。依据表面形态及分布不同，硬质材料及柔性材料的厚度比不同，冲蚀条件不同，和光滑的表面相比，施加沟槽及凸包表面形态、增加柔性层的样件的冲蚀磨损率提高了6.0%~32.8%。本发明提供的耦合仿生抗冲蚀模型，在直升机叶片、压缩机叶片的导缘、气流输运物料的管路及其弯头和工况为气体携带粉粒的涡轮叶片等关键部件上应用，提高其抗冲蚀性能，增加设备的使用寿命。
附图说明
图1为本发明具有V形槽仿生抗冲蚀结构示意图；
图2为图1中脊的局部俯视图；
图3为图1中脊的局部剖面示意图；
图4为本发明具有凹形槽仿生抗冲蚀结构示意图；
图5为图4中脊的局部俯视图；
图6为图4中脊的局部剖面示意图；
图7为本发明具有U形槽仿生抗冲蚀模型示意图；
图8为图7中脊的局部俯视图；
图9为图7中脊的局部剖面示意图。
具体实施方式
请参阅图1、图2和图3所示，为本发明的第一实施例，其是由内层B和外层A构成，外层A为硬质材料层，内层B柔性材料层，外层A材料硬度高于内层B材料，内层B和外层A紧密结合在一起，外层A具有平行的沟槽1表面形态，所述沟槽1的脊2上规则地分布有凸包3；
在本实施例中，所述外层A硬质材料选用ABS，内层B柔性材料选用硅胶，所述外层A和内层B的厚度比为a:b=2，内层B硅胶的厚度为2.3mm。外层A表面的沟槽1呈现V形槽形态，且槽平行分布，各个脊的宽度相同。样件尺寸为50×50×5mm3，V形槽边长d为4mm，横截面为等边三角形，即槽深度e=3.464mm，V形槽之间的脊c的宽度为4mm；凸包3平行分布于脊上，凸包3半径R为10μm，两个凸包3中心间的距离L为30μm，凸包3到脊2边缘的距离H为15μm。采用喷射式冲蚀磨损试验装置测试其耐冲蚀性能。冲蚀条件为：攻角30°；压缩机压强0.5MPa；磨料选用石英砂，粒径110目；冲蚀时间60s。
请参阅图4、图5和图6所示，为本发明的第二实施例，其是由内层B和外层A构成，外层A为硬质材料层，内层B柔性材料层，外层A材料硬度高于内层B材料，内层B和外层A紧密结合在一起，外层A具有平行的沟槽1表面形态，所述沟槽1的脊2上规则地分布有凸包3；
在本实施例中，所述外层A硬质材料选用ABS，内层B柔性材料选用硅胶，所述外层A和内层B的厚度比为a:b=1.5；
内层B硅胶的厚度b为2.3mm，外层A表面的沟槽1呈现凹形槽形态，且槽平行分布，各个脊2的宽度相同。样件尺寸为50×50×5mm3，凹槽边长d为2mm，横截面为正方形，即槽深度e=d=2mm；凹槽之间的脊2的宽度c为2mm。凸包3平行分布于脊2上，凸包3半径R为10μm，两个凸包3中心间的距离L为30μm，凸包3到脊2边缘的距离H为15μm。外层A材料ABS与内层B硅胶之间采用瞬间强力粘合剂胶结。冲蚀测试方法与第一实施例相同。冲蚀条件为：攻角30°；压缩机压强0.7MPa；磨料选用石英砂，粒径30目；冲蚀时间60s。
请参阅图7、图8和图9所示，为本发明的第三实施例，其是由内层B和外层A构成，外层A为硬质材料层，内层B柔性材料层，外层A材料硬度高于内层B材料，内层B和外层A紧密结合在一起，外层A具有平行的沟槽1表面形态，所述沟槽1的脊2上规则地分布有凸包3；
在本实施例中，所述外层A硬质材料选用ABS，内层B柔性材料选用硅胶，所述外层A和内层B的厚度比为a:b=1，内层B硅胶的厚度b为2.3mm。外层A表面的沟槽1呈现U形槽形态，且槽平行分布，各个脊2的宽度相同。样件尺寸为50×50×5mm3，U形槽宽度d为3mm，深度e为3mm，底部为半圆形，半径r为1.5mm。U形槽之间的脊2的宽度c为3mm。凸包3的交叉分布，半径R为10μm。同一排凸包3之间的距离L为30μm，凸包3到脊2边缘的距离H为15μm。外层A的材料ABS与内层B的硅胶之间采用瞬间强力粘合剂胶结。冲蚀测试方法与第一实施例相同。冲蚀条件为：攻角60°；压缩机压强0.6MPa；磨料选用石英砂，粒径70目；冲蚀时间60s。

Claims (4)

1.一种提高机械运动部件表面抗冲蚀性能的耦合仿生结构，其特征在于：其是由内层（B）和外层（A）构成，外层（A）为硬质材料层，内层（B）柔性材料层，外层（A）材料硬度高于内层（B）材料，内层（B）和外层（A）紧密结合在一起，外层（A）具有平行的沟槽（1）表面形态，所述沟槽（1）的脊（2）上分布有凸包（3）。
2.根据权利要求1所述的一种提高机械运动部件表面抗冲蚀性能的耦合仿生结构，其特征在于：所述外层（A）和内层（B）的厚度比为1~2。
3.根据权利要求1所述的一种提高机械运动部件表面抗冲蚀性能的耦合仿生结构，其特征在于：所述沟槽（1）为V形槽或凹形槽或U形槽。
4.根据权利要求1所述的一种提高机械运动部件表面抗冲蚀性能的耦合仿生结构，其特征在于：所述外层（A）材料选用ABS，内层（B）材料选用硅胶。
CN2012104074664A 2012-10-23 2012-10-23 提高机械运动部件表面抗冲蚀性能的耦合仿生结构 Pending CN102886923A (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN2012104074664A CN102886923A (zh) 2012-10-23 2012-10-23 提高机械运动部件表面抗冲蚀性能的耦合仿生结构

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN2012104074664A CN102886923A (zh) 2012-10-23 2012-10-23 提高机械运动部件表面抗冲蚀性能的耦合仿生结构

Publications (1)

Publication Number Publication Date
CN102886923A true CN102886923A (zh) 2013-01-23

Family

ID=47530698

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN2012104074664A Pending CN102886923A (zh) 2012-10-23 2012-10-23 提高机械运动部件表面抗冲蚀性能的耦合仿生结构

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN102886923A (zh)

Cited By (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN103821801A (zh) * 2014-02-23 2014-05-28 中国科学院工程热物理研究所 一种减阻肋条
CN106739193A (zh) * 2017-03-17 2017-05-31 吉林大学 一种仿生轻质高强耐热冲击复合结构
CN106838598A (zh) * 2017-04-06 2017-06-13 吉林大学 一种仿生抗冲蚀表面结构
CN106929738A (zh) * 2017-04-13 2017-07-07 水利部杭州机械设计研究所 一种抗汽蚀抗冲蚀高结合强度的Ni‑Ti‑Nb‑碳化物复合涂层及其制备方法
CN107154289A (zh) * 2017-05-05 2017-09-12 吉林大学 一种仿生抗冲蚀架空导线
CN107415339A (zh) * 2017-05-17 2017-12-01 吉林大学 一种具有复合涂层胶的仿生抗冲蚀表面
CN108358156A (zh) * 2017-12-29 2018-08-03 西北工业大学 一种自清洁气动减阻微纳复合小肋结构
CN109121509A (zh) * 2018-09-25 2019-01-04 吉林大学 一种仿生多级形态抗冲蚀耐磨机耕船底板及其机耕船

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH04224945A (ja) * 1990-12-26 1992-08-14 Dainippon Printing Co Ltd 化粧シート、化粧シートの製造方法及び化粧シートの製造に使用する型
CN101457767A (zh) * 2008-12-02 2009-06-17 吉林大学 一种与流体相接触的仿生弹性壁表面
CN102536972A (zh) * 2012-02-21 2012-07-04 吉林大学 在液体介质中具有增效、减阻功能的动态耦合仿生功能表面
CN202826554U (zh) * 2012-10-23 2013-03-27 吉林大学 提高机械运动部件表面抗冲蚀性能的耦合仿生结构

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH04224945A (ja) * 1990-12-26 1992-08-14 Dainippon Printing Co Ltd 化粧シート、化粧シートの製造方法及び化粧シートの製造に使用する型
CN101457767A (zh) * 2008-12-02 2009-06-17 吉林大学 一种与流体相接触的仿生弹性壁表面
CN102536972A (zh) * 2012-02-21 2012-07-04 吉林大学 在液体介质中具有增效、减阻功能的动态耦合仿生功能表面
CN202826554U (zh) * 2012-10-23 2013-03-27 吉林大学 提高机械运动部件表面抗冲蚀性能的耦合仿生结构

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
HAN ZHIWU等: "《Erosion resistance of bionic functional surfaces inspired from desert scorpions》", 《LANGMUIR》, 30 December 2011 (2011-12-30) *
张俊秋等: "《柔性与形态耦合仿生抗冲蚀三维数据模拟》", 《吉林大学学报（工学版）》, vol. 41, no. 1, 31 January 2011 (2011-01-31) *

Cited By (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN103821801A (zh) * 2014-02-23 2014-05-28 中国科学院工程热物理研究所 一种减阻肋条
CN103821801B (zh) * 2014-02-23 2016-02-10 中国科学院工程热物理研究所 一种减阻肋条
CN106739193A (zh) * 2017-03-17 2017-05-31 吉林大学 一种仿生轻质高强耐热冲击复合结构
CN106838598A (zh) * 2017-04-06 2017-06-13 吉林大学 一种仿生抗冲蚀表面结构
CN106929738A (zh) * 2017-04-13 2017-07-07 水利部杭州机械设计研究所 一种抗汽蚀抗冲蚀高结合强度的Ni‑Ti‑Nb‑碳化物复合涂层及其制备方法
CN106929738B (zh) * 2017-04-13 2018-08-31 水利部杭州机械设计研究所 一种抗汽蚀抗冲蚀高结合强度的Ni-Ti-Nb-碳化物复合涂层及其制备方法
CN107154289A (zh) * 2017-05-05 2017-09-12 吉林大学 一种仿生抗冲蚀架空导线
CN107415339A (zh) * 2017-05-17 2017-12-01 吉林大学 一种具有复合涂层胶的仿生抗冲蚀表面
CN108358156A (zh) * 2017-12-29 2018-08-03 西北工业大学 一种自清洁气动减阻微纳复合小肋结构
CN109121509A (zh) * 2018-09-25 2019-01-04 吉林大学 一种仿生多级形态抗冲蚀耐磨机耕船底板及其机耕船

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN102886923A (zh) 提高机械运动部件表面抗冲蚀性能的耦合仿生结构
Dean et al. Shark-skin surfaces for fluid-drag reduction in turbulent flow: a review
He et al. Design of icephobic surfaces by lowering ice adhesion strength: A mini review
Zhiwu et al. Erosion resistance of bionic functional surfaces inspired from desert scorpions
Speck et al. An overview of bioinspired and biomimetic self-repairing materials
Luo et al. Boundary layer drag reduction research hypotheses derived from bio-inspired surface and recent advanced applications
RU2616707C2 (ru) Способ создания защитного армирования для передней кромки лопасти
Fu et al. Dynamic study of liquid drop impact on supercooled cerium dioxide: anti-icing behavior
WO2014144152A1 (en) Improved coating interface
CN103612212B (zh) 带有叶片轮的磨粒流抛光加工装置
Ge-Zhang et al. Biology and nature: Bionic superhydrophobic surface and principle
CN202826554U (zh) 提高机械运动部件表面抗冲蚀性能的耦合仿生结构
CN105644770A (zh) 仿鲨鱼皮的减阻机翼
Kumar et al. Erosive wear resistance of nature-inspired flexible materials
Memon et al. Interdependence of surface roughness on icephobic performance: a review
EP2508712A3 (en) A component having an erosion-resistant layer
Li et al. Recent advances on the abrasion resistance enhancements and applications of superhydrophobic materials
Khammas et al. Durable icephobic slippery liquid-infused porous surfaces (SLIPS) using flame-and cold-spraying
Nistal et al. On the Durability of Icephobic Coatings: A Review
CN106838598A (zh) 一种仿生抗冲蚀表面结构
Cong et al. Research progress of superhydrophobic materials in the field of anti-/de-icing and their preparation: a review
Liang et al. Effect of Material Selection and Surface Texture on Tribological Properties of Key Friction Pairs in Water Hydraulic Axial Piston Pumps: A Review
Du et al. Experimental study on anti-icing of robust TiO2/polyurea superhydrophobic coating
Samborsky et al. Mixed mode static and fatigue crack growth in wind blade paste adhesives
CN206703620U (zh) 一种具有复合涂层胶的仿生抗冲蚀表面

Legal Events

Date Code Title Description
C06 Publication
PB01 Publication
C10 Entry into substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
C12 Rejection of a patent application after its publication
RJ01 Rejection of invention patent application after publication

Application publication date: 20130123