CN104228054A - 一种仿生鲨鱼皮减阻微沟槽的大面积复制方法 - Google Patents

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赵丹阳
郭纯方
杜立群
王敏杰
田倩倩
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Abstract

一种仿生鲨鱼皮减阻微沟槽的大面积复制方法，属于仿生减阻技术领域。其特征是对真实鲨鱼皮表面微结构进行简化，得到仿生鲨鱼皮微沟槽结构，采用UV-LIGA技术加工用于复制仿生鲨鱼皮微沟槽的镍模具，然后将镍模具弯曲固定在滚压机滚轮表面，预处理待加工聚合物材料，设置滚压机工艺参数在聚合物表面大面积成型仿生鲨鱼皮微沟槽结构。本发明的效果和益处是：根据真实鲨鱼皮表面微结构简化得到仿生鲨鱼皮微沟槽，不仅结构简单而且具有与真实鲨鱼皮一致的减阻性能；利用聚合物片材易变形、易压印的特点，解决了难以复制微沟槽结构的难题。具有过程简单、易于制造的优点，能够大面积、高效率地成型仿生鲨鱼皮减阻微沟槽。

Description

一种仿生鲨鱼皮减阻微沟槽的大面积复制方法
技术领域
本发明属于仿生减阻技术领域，涉及到一种仿生鲨鱼皮减阻微沟槽的大面积复制方法。
背景技术
鲨鱼皮表面盾甲鳞结构具有生物减阻功能，具有广阔的应用前景。国内外不少学者试图探寻具有减阻防粘功能鲨鱼皮表面微结构的制备途径。目前已经采用的鲨鱼皮表面微结构复制方法主要包括：(1)真空浇注不饱和树脂，固化后将其与鲨鱼皮样本分离得到不饱和树脂模具，然后采用真空浇注硅橡胶的方式复制出硅橡胶鲨鱼皮；(2)将预处理后的鲨鱼皮作为电铸原型进行电铸，得到与原型形状相对应的金属模具，结合热压法脱模得到仿制鲨鱼皮；(3)将紫外光快速固化技术与微压印塑铸技术结合，在紫外光固化树脂表面复制鲨鱼皮微结构。
但这些方法存在工艺过程复杂、成本较高、难以控制和成型效率低等缺点。如果能存在一种仿生鲨鱼皮微沟槽，与真实鲨鱼皮微结构保持较高的相似度和一致的减阻性能，同时存在仿生鲨鱼皮微沟槽的大面积复制方法，必将推动仿生鲨鱼皮的大规模制备，推动生物减阻技术的发展。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种根据真实鲨鱼皮简化得到的仿生鲨鱼皮减阻微沟槽的大面积复制方法，可以用来大面积、低成本、高效率地成型具有减阻性能的仿生鲨鱼皮。
本发明首先对真实鲨鱼皮表面微结构进行简化得到仿生鲨鱼皮微沟槽结构；根据微沟槽结构参数，采用紫外光刻、电铸和注塑(UV-LIGA)技术制造用于复制仿生鲨鱼皮微沟槽的镍模具；将镍模具弯曲固定在滚压机滚轮表面；预处理待加工聚合物材料；设置滚压机工艺参数在聚合物表面大面积成型仿生鲨鱼皮微沟槽结构。具体的技术方案如下：
(1)根据真实鲨鱼皮简化得到仿生鲨鱼皮微沟槽结构
采用表面轮廓仪测得真实鲨鱼皮表面微结构轮廓曲线，发现每个鳞片上存在长度、高度各不相同的纵肋。用等高的梯形结构简化鳞片上的纵肋，得到仿生鲨鱼皮微沟槽结构。与真实鲨鱼皮表面微结构保持较高相似度并结合加工技术确定本发明的仿生鲨鱼皮微沟槽结构参数。对微沟槽进行流场分析，以流场中微沟槽表面剪切应力较光滑表面的减小程度来衡量微沟槽的减阻性能。
(2)制造用于复制仿生鲨鱼皮微沟槽的镍模具
根据微沟槽结构参数，采用UV-LIGA技术加工用于复制仿生鲨鱼皮微沟槽的镍模具；其工艺过程包括掩膜板制作、基片预处理、甩胶、前烘、曝光、后烘、显影、酸洗、微电铸、退火、去胶等。
(3)将镍模具弯曲固定在双轮滚压机的滚压轮表面
将用于复制仿生鲨鱼皮微沟槽的镍模具弯曲，采用胶黏剂贴使其附在双轮滚压机的滚压轮上，确保其光滑表面紧贴于滚压轮。
(4)预处理待加工聚合物材料
选择一定厚度的待加工聚合物片材，将其剪裁以符合滚压机的尺寸，并进行清洗去除表面污渍，擦拭后静置晾干。
(5)在聚合物片材表面复制仿生鲨鱼皮微沟槽
①设置双轮滚压机滚压工艺参数，包括滚轮温度、滚轮镜面间距以及滚轮转动速度；
②将聚合物片材预热，待滚压机滚轮达到设定温度时，开启滚轮转动，在聚合物片材上滚压出仿生鲨鱼皮微沟槽。
本发明的效果和益处是：根据真实鲨鱼皮表面微结构简化得到仿生鲨鱼皮微沟槽，不仅结构简单而且具有与真实鲨鱼皮一致的减阻性能；利用聚合物片材易变形、易压印的特点，解决了难以复制微沟槽结构的难题。具有过程简单、易于制造的优点，能够大面积、高效率地成型仿生鲨鱼皮减阻微沟槽。
附图说明
图1是仿生鲨鱼皮减阻微沟槽滚压复制工艺示意图。
图中：1.滚压轮，2.背压轮，3.模具，4.聚合物
图2是真实鲨鱼皮表面盾甲鳞结构。
图3是简化得到的仿生鲨鱼皮微沟槽示意图。
图4是仿生鲨鱼皮微沟槽截面形状示意图。
具体实施方式
以下结合技术方案和附图详细叙述本发明的具体实施例。
(1)简化得到仿生鲨鱼皮微沟槽结构。
真实鲨鱼皮表面盾甲鳞结构如图2所示，可以看出鲨鱼皮鳞片形状近似为菱形。采用CLI 2000触针式表面轮廓仪测得鲨鱼皮盾甲鳞结构的轮廓曲线，发现每个鳞片上存在长度、高度各不相同的纵肋。本发明用尺寸相近的等高但长度不同的梯形结构来简化鳞片上的纵肋，即0.46mm长的梯形纵肋两侧对称分布0.33mm、0.23mm、0.13mm长的梯形纵肋，且相邻梯形纵肋中心的纵向间距为0.4mm，在梯形纵肋之间形成仿生鲨鱼皮微沟槽结构，如图3所示。微沟槽截面尺寸参数主要包括：微沟槽底端宽度w，微沟槽斜度θ，微沟槽间距f，微沟槽深度h，如图4所示。与真实鲨鱼皮表面微结构保持较高相似度并结合加工技术，本发明采用的微沟槽截面参数为w＝50μm，f＝100μm，h＝50μm，θ＝1°～3°。
微沟槽的减阻作用主要表现为流场中微沟槽的表面剪切应力较光滑平面减小，因此可用微沟槽表面和光滑平面的剪切应力之差与光滑平面的剪切应力之比作为减阻率来衡量。确定流体计算域，进行计算域建模、网格划分和边界条件设置，之后利用Fluent软件在1～45m/s的流体速度条件下进行表面剪切应力计算。计算采用二维隐式分离稳态求解器，所选取的湍流方程为二阶RNGκ-ε方程，收敛标准为0.001。分析发现，随着流速的增大，微沟槽表面和光滑平面的剪切应力不断增大，但微沟槽表面的剪切应力始终小于光滑平面的剪切应力。减阻分析说明简化得到的仿生鲨鱼皮微沟槽不仅结构简单，而且具有较高的减阻性能。
(2)采用UV-LIGA技术制造用于复制仿生鲨鱼皮微沟槽的镍模具，加工过程如下：
①根据仿生鲨鱼皮微沟槽结构尺寸制作掩膜板。
②基片预处理。采用尺寸为63mm×63mm×0.5mm的镍201作为镍基片，室温下使用AB胶以1:1比例将0.5mm厚镍基片与大小相等但厚度为3mm的镍基板粘结，使用研磨抛光机对镍基片表面进行研磨精整、抛光加工，之后用丙酮溶液将镍基片表面擦拭干净，用去离子水清洗，最后将清洗过的基片放入烘干箱，烘干1小时。
③甩胶。利用均胶机旋转将SU-8胶均匀涂敷在镍基片表面，得到胶膜厚度为50μm。
④前烘。将基片放入烘箱依次在65℃、70℃、75℃、80℃、85℃进行保温，最后缓慢冷却到室温。
⑤曝光。采用接触式曝光技术，紫外光波长为365nm，曝光剂量200mJ/cm2。
⑥后烘。将曝光后的镍基板放置在热板上进行后烘，然后冷却到室温。
⑦显影。采用浸渍显影，将后烘后的镍基片置于SU-8胶的显影液中，并不断晃动基片使之与显影液做相对运动，取出基片用去离子水冲洗并用氮气吹干。
⑧酸洗。将显影后的镍基片置于酸洗液中除去基片表面的氧化层，然后用去离子水冲洗。
⑨微电铸。使用DZY-3型双路精密电铸仪对镍基片进行脉冲电铸，结束后对铸层表面进行人工研磨，避免由于边缘效应而产生的铸层表面不平现象。
⑩退火。将电铸后的基片放入真空镀膜机中进行真空退火。
去胶。将退火完成后的镍基片放入SU-8去胶液中，水浴加热，利用SU-8胶溶胀的性质使之与基片发生分离。
将0.5mm的镍基片与3mm镍基板分离。首先将其放在热板上加热到160℃左右，待AB胶融化后，分离两者，然后用丙酮溶液擦拭掉基片表面的AB胶，最后用去离子水冲洗，得到具有微结构的镍模具3。
(3)利用砂纸打磨镍模具反面，在镍模具反面均匀涂抹一层较薄的AB胶，然后将镍模具贴附在滚压轮1表面，用柔软的布条固定以防止镍模具与滚轮表面滑移，自然状态下静置24小时，待模具完全牢固地贴附在滚轮表面。
(4)选择0.2mm厚的聚合物片材4，将其剪裁符合滚压机尺寸，并进行清洗去除表面污渍，擦拭后静置晾干。
(5)选用双滚轮滚压机作为滚压设备，滚轮镜面直径为Ф120mm，滚压复制工艺如图1所示。
①在滚压机控制面板上设置与聚合物接触的背压轮2的温度为聚合物片材4的软化温度80℃，贴附镍模具3的滚压轮1的温度为70℃，由滚轮内部的加热装置对其进行加热。
②设置滚压机两滚轮的镜面间距为0.6mm，以间接设定镍模具3对聚合物片材4的压力。
③在滚压机控制面板上设置滚轮转速为1.5r/min。
④将聚合物片材4靠近滚压区，待两滚轮温度达到设定值时开启滚轮转动,聚合物片材4不断得到背压轮2预热并进入滚压区，便可实现在聚合物片材4表面复制仿生鲨鱼皮减阻微沟槽。

Claims (2)

1.一种仿生鲨鱼皮减阻微沟槽的大面积复制方法，其特征在于包括如下步骤：
(1)根据真实鲨鱼皮简化得到仿生鲨鱼皮微沟槽结构
将真实鲨鱼皮表面鳞片上高度、长度各不相同的纵肋用等高但长度不同的梯形结构来简化，在梯形纵肋之间形成仿生鲨鱼皮微沟槽结构；与真实鲨鱼皮表面微结构保持较高相似度；
(2)制造用于复制仿生鲨鱼皮微沟槽的镍模具
根据微沟槽结构参数，采用UV-LIGA技术加工用于复制仿生鲨鱼皮微沟槽的镍模具；
(3)将镍模具(3)弯曲固定在双轮滚压机的滚压轮(1)表面
将用于复制仿生鲨鱼皮微沟槽的镍模具弯曲贴附在双轮滚压机的滚压轮(1)上，确保其光滑表面紧贴于滚压轮(1)；
(4)预处理待加工聚合物材料
选择一定厚度的待加工聚合物片材(4)，将其剪裁以符合滚压机的尺寸，并进行清洗去除表面污渍，擦拭后静置晾干；
(5)在聚合物片材(4)表面复制仿生鲨鱼皮微沟槽
①设置双轮滚压机滚压工艺参数，包括滚轮温度、滚轮镜面间距以及滚轮转动速度；
②将聚合物片材(4)预热，待滚压机滚轮温度达到设定值时，开启滚轮转动，在聚合物片材(4)上滚压出仿生鲨鱼皮微沟槽。
2.根据权利要求1所述的一种仿生鲨鱼皮减阻微沟槽的大面积复制方法，其特征在于镍模具(3)通过胶黏剂贴附在滚压轮(1)上。
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