CN108082388B - 一种微纳结构与疏水改质改性相复合的仿生减阻表面结构 - Google Patents

一种微纳结构与疏水改质改性相复合的仿生减阻表面结构 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种微纳结构与疏水改质改性相复合的仿生减阻表面结构，包括：基底层、肋条、弧形凸台和充气孔；其中，肋条、弧形凸台和充气孔均设置在基底层上；肋条等间距排布在基底层上；相邻两个肋条之间排布有弧形凸台；其中，各弧形凸台等间距排布；两个相邻弧形凸台之间设置有一充气孔；肋条高度大于弧形凸台高度。本发明所述的微纳结构与疏水改质改性相复合的仿生减阻表面结构可用于水中航行体上的减阻、防污表面，能够有效解决航行体表面阻力大，耗能高，易粘附的问题。

Description

一种微纳结构与疏水改质改性相复合的仿生减阻表面结构
技术领域
本发明属于减阻技术领域，尤其涉及一种微纳结构与疏水改质改性相复合的仿生减阻表面结构。
背景技术
当前，我国已将发展海洋经济、建设海洋强国作为重要发展战略。船舶、舰艇等航行体在海洋经济建设和海洋国防中发挥着重要作用。水中航行体的运行速度和能量消耗率是评价其性能的重要指标，运行速度决定着航行体的性能，能量消耗率决定着航行体的续航能力和运行成本。而航行体的运行速度和能量消耗率除了与发动机效率相关外，其最主要的影响因素就是航行体在水中行驶的阻力。
航行体为克服表面摩阻而耗费的能量也是当今世界能源消耗的重要组成部分，在资源日益匮乏的今天，如何有效减阻成为当下研究的热门领域。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。早在上世纪六十年代，美、苏、德等发达国家就开始了对仿生减阻技术的研究，仿生与生物制造已成为实现表面减阻的有效手段。
目前仿鲨鱼皮减阻结构等仿生鱼类表面设计已经取得了很多成果并得到了实际应用，所采用的手段主要是将减阻形貌简化为连续沟槽进行研究，但仿鲨鱼皮减阻表面仍存在着仿生逼真度低、减阻效果不理想等问题。
发明内容
本发明的技术解决问题：克服现有技术的不足，提供一种微纳结构与疏水改质改性相复合的仿生减阻表面结构，可用于水中航行体上的减阻、防污表面，能够有效解决航行体表面阻力大，耗能高，易粘附的问题。
为了解决上述技术问题，本发明公开了一种微纳结构与疏水改质改性相复合的仿生减阻表面结构，包括：基底层、肋条、弧形凸台和充气孔；其中，肋条、弧形凸台和充气孔均设置在基底层上；
肋条等间距排布在基底层上；
相邻两个肋条之间排布有弧形凸台；其中，各弧形凸台等间距排布；
两个相邻弧形凸台之间设置有一充气孔；
肋条高度大于弧形凸台高度。
在上述微纳结构与疏水改质改性相复合的仿生减阻表面结构中，
各弧形凸台呈设定倾斜角度设置在基底层上；其中，设定倾斜角度为：5°～90°；
两个相邻弧形凸台与基底层形成密排孔。
在上述微纳结构与疏水改质改性相复合的仿生减阻表面结构中，基底层，包括：一气体腔和一进气口；
充气孔设置在基底层上、与所述气体腔联通；
进气口设置在所述气体腔的顶端或尾端。
在上述微纳结构与疏水改质改性相复合的仿生减阻表面结构中，基底层，包括：设置在基底层底面的一敞口空腔；
充气孔设置在基底层上、与所述敞口空腔联通。
在上述微纳结构与疏水改质改性相复合的仿生减阻表面结构中，
相邻两个肋条之间的间隔为：50～100um。
在上述微纳结构与疏水改质改性相复合的仿生减阻表面结构中，
相邻两个弧形凸台沿肋条方向的间隔为：100～200um。
在上述微纳结构与疏水改质改性相复合的仿生减阻表面结构中，
充气孔的直径为：5～10um。
在上述微纳结构与疏水改质改性相复合的仿生减阻表面结构中，
肋条高度为：5～10um。
在上述微纳结构与疏水改质改性相复合的仿生减阻表面结构中，
所述微纳结构与疏水改质改性相复合的仿生减阻表面结构，作为减阻表面，敷设在航行体表面。
本发明具有以下优点：
本发明公开了一种微纳结构与疏水改质改性相复合的仿生减阻表面结构，设置在基底层上的肋条、弧形凸台和充气孔，形成了表面层的沟槽结构，沟槽结构使流体边界层的流体结构得到了优化，抑制和延迟紊流的发生，从而减小了航行阻力。其次，沟槽之间又进一步形成了密排的气室结构，可封存气体，使水流与原基底材料的固液接触变为水流与空气层的接触，从而进一步减小了阻力，提高了航行体的运行速度、减少了能量的消耗。此外，由于沟槽结构和密排的气室结构的存在，使得水下生物与表面层结构接触时中间留有空隙，大大降低了其粘附力，加之航行时水流冲击影响，具有良好的水下防粘附作用。
附图说明
图1是本发明实施例中一种微纳结构与疏水改质改性相复合的仿生减阻表面结构的示意图；
图2是本发明实施例中一种微纳结构与疏水改质改性相复合的仿生减阻表面结构的截面示意图；
图3是本发明实施例中又一种微纳结构与疏水改质改性相复合的仿生减阻表面结构的截面示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明公共的实施方式作进一步详细描述。
本发明公开了一种微纳结构与疏水改质改性相复合的仿生减阻表面结构，一方面具有与仿鲨鱼皮表面类似的沟槽结构，另一方面具有疏水斜坑结构，在水下封存气体，以减小水流与表面的接触面积，增强减阻效应。所述微纳结构与疏水改质改性相复合的仿生减阻表面结构可以应用于任意对象的表面，以减小阻力、降低能耗，不局限于敷设在航行体表面(将所述微纳结构与疏水改质改性相复合的仿生减阻表面结构，作为减阻表面，敷设在航行体表面)。
参照图1，示出了本发明实施例中一种微纳结构与疏水改质改性相复合的仿生减阻表面结构的示意图。在本实施例中，微纳结构与疏水改质改性相复合的仿生减阻表面结构，包括：基底层1、肋条2、弧形凸台3和充气孔4。
如图1，肋条2、弧形凸台3和充气孔4均设置在基底层1上。肋条2等间距排布在基底层1上。相邻两个肋条之间排布有弧形凸台；其中，各弧形凸台等间距排布。两个相邻弧形凸台之间设置有一充气孔。肋条高度大于弧形凸台高度。
在本发明的一优选实施例中，各弧形凸台呈设定倾斜角度设置在基底层上；两个相邻弧形凸台与基底层形成密排孔5。
优选的，设定倾斜角度为：5°～90°(含5°和90°)。
当设定倾斜角度为90°时，弧形凸台与基底层垂直，两个相邻弧形凸台与基底层形成的密排孔可称为密排直孔。
当设定倾斜角度不为90°时，弧形凸台与基底层之间呈所述设定倾斜角度倾斜，两个相邻弧形凸台与基底层形成的密排孔可称为密排斜孔。
在本发明的一优选实施例中，参照图2，示出了本发明实施例中一种微纳结构与疏水改质改性相复合的仿生减阻表面结构的截面示意图。
如图2，在本实施例中，当设定倾斜角度不为90°时，基底层的具体结构可以为：基底层包括：一气体腔11和一进气口12。其中，充气孔设置在基底层上、与所述气体腔11联通。进气口12设置在所述气体腔的顶端或尾端。
在本发明的一优选实施例中，参照图3，示出了本发明实施例中又一种微纳结构与疏水改质改性相复合的仿生减阻表面结构的截面示意图。
如图3，在本实施例中，当设定倾斜角度为90°时，基底层的具体结构可以为：基底层包括：设置在基底层底面的一敞口空腔13。其中，充气孔设置在基底层上、与所述敞口空腔13联通。
在本发明的一优选实施例中，给出如下尺寸参数示意(可根据实际情况具体设定，本实施例对此不作限制)：相邻两个肋条之间的间隔为：50～100um；相邻两个弧形凸台沿肋条方向的间隔为：100～200um；充气孔的直径为：5～10um；肋条高度为：5～10um。
在本发明的一优选实施例中，微纳结构与疏水改质改性相复合的仿生减阻表面结构的加工材料可以为：橡胶材质材料或金属材质材料。选择不同材质材料加工所述微纳结构与疏水改质改性相复合的仿生减阻表面结构时，可以通过不同的工艺方法实现。
例如，当选择橡胶材质材料时，可采用模板压印、3D打印、精密机械加工、精密微电铸和精密微电解等任意一种适当的工艺方法，加工得到所述微纳结构与疏水改质改性相复合的仿生减阻表面结构，只要满足结构要求即可。
又例如，当选择金属材质材料时，可采用微电铸、精密机械加工和微电解加工等任意一种适当的工艺方法，加工得到所述微纳结构与疏水改质改性相复合的仿生减阻表面结构，只要满足结构要求即可。
其中，需要说明的是，在本实施例中，密排孔、气体腔(或敞口空腔)内均充满气体，形成气垫，从而减小了水流与减阻表面的固液接触面积，达到减阻目的，气垫非连续分布易于长久保持气体封存状态。
综上所述，本发明公开了一种微纳结构与疏水改质改性相复合的仿生减阻表面结构，设置在基底层上的肋条、弧形凸台和充气孔，形成了表面层的沟槽结构，沟槽结构使流体边界层的流体结构得到了优化，抑制和延迟紊流的发生，从而减小了航行阻力。其次，沟槽之间又进一步形成了密排的气室结构，可封存气体，使水流与原基底材料的固液接触变为水流与空气层的接触，从而进一步减小了阻力，提高了航行体的运行速度、减少了能量的消耗。此外，由于沟槽结构和密排的气室结构的存在，使得水下生物与表面层结构接触时中间留有空隙，大大降低了其粘附力，加之航行时水流冲击影响，具有良好的水下防粘附作用。
本说明中的各个实施例均采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可。
以上所述，仅为本发明最佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员的公知技术。

Claims (2)

1.一种微纳结构与疏水改质改性相复合的仿生减阻表面结构，其特征在于，包括：基底层、肋条、弧形凸台和充气孔；其中，肋条、弧形凸台和充气孔均设置在基底层上，一方面形成了表面层的沟槽结构，另一方面具有疏水斜坑结构；
肋条等间距排布在基底层上，肋条高度为：5～10um，相邻两个肋条之间的间隔为：50～100um；
相邻两个肋条之间排布有弧形凸台；其中，各弧形凸台等间距排布，相邻两个弧形凸台沿肋条方向的间隔为：100～200um；
两个相邻弧形凸台之间设置有一充气孔，充气孔的直径为：5～10um；
肋条高度大于弧形凸台高度；
其中，各弧形凸台呈设定倾斜角度设置在基底层上，两个相邻弧形凸台与基底层形成密排孔；其中，设定倾斜角度为：5°～90°；
当设定倾斜角度为90°时，基底层的具体结构包括：设置在基底层底面的一敞口空腔；其中，充气孔设置在基底层上、与所述敞口空腔联通；
当设定倾斜角度不为90°时，基底层的具体结构包括：一气体腔和一进气口；其中，充气孔设置在基底层上、与所述气体腔联通，进气口设置在所述气体腔的顶端或尾端；
密排孔、气体腔、敞口空腔均充满气体，形成非连续分布的气垫，从而减小了水流与减阻表面的固液接触面积，达到减阻目的，气垫非连续分布易于长久保持气体封存状态。
2.根据权利要求1所述的微纳结构与疏水改质改性相复合的仿生减阻表面结构，其特征在于，所述微纳结构与疏水改质改性相复合的仿生减阻表面结构，作为减阻表面，敷设在航行体表面。
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