CN110249735A - 水田机械触泥部件仿生柔性减阻材料及制备方法与应用 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种水田机械触泥部件仿生柔性减阻材料及制备方法与应用，通过设计所述水田机械触泥部件仿生柔性减阻表面材料微结构而制得。本发明受钻泥生物泥鳅的启发，首先去除泥鳅表皮体表附着的粘液并将表皮固定干燥后待用。将已经配置好的混合溶液倒入已固定好的表皮面上，经过加热加压脱模后，得到与泥鳅表皮相反的结构。最后将已经配置好的硅胶溶液倒入反结构上，经过加热加压脱模后，得到仿生柔性表面的正结构，该仿生柔性表面在受到流体冲击时能够发生柔性变形，能够在两个相邻的仿生微结构单元之间生成低压区，促使周围的水不断向该区聚集，在仿生结构单元体表面上形成一层稳定的水膜，实现减阻的效果。

Description

水田机械触泥部件仿生柔性减阻材料及制备方法与应用

技术领域

本发明属于农业机械技术领域，特别是明涉及一种水田机械触泥部件仿生柔性减阻材料及制备方法与应用，适用于水田泥壤环境下机械的触泥部件仿生减阻。

背景技术

水田农业生产中，作业机械在泥壤环境下工作阻力很大，功率损失严重，且易导致机械部件加速磨损。如水田平地机、打浆机、机耕船、插秧机等。此类机械在田间作业时，各种浮体、平地板、船体等部件长期与水田泥壤相接触。这些触泥部件与泥壤作相对滑行运动，需要克服水田中泥壤阻力，故对这类触泥部件表面进行减阻研究具有重要的意义。申请号为“201410073193.3”发明名称为“一种水田船式机械仿生表面减阻结构及其应用”该减阻结构通过仿两栖类爬行动物的腹部表皮纹路，通过在船体与水接触的表面上加工出相互联通的凹槽网络降低水田式机械前进时的阻力。

自然界的生物经过长期的进化形成了较强的生存本领。如泥鳅、鳝鱼等生物能够在泥壤中自由的钻行。其中体表分泌的粘液润滑的作用不可否认，但是有学者提取其分泌的粘液涂抹到机械表面后很快就会消失，说明泥鳅仅仅依靠体表不断的分泌粘液达到减阻的效果是不够的，重要的是能够对粘液进行长期的“固存”，避免其流失或者是减缓流失。

发明内容

针对上述存在的现有的减阻表面存在的结构易破坏、减阻效果差、应用范围窄等技术问题，受到泥鳅类生物能够将粘液进行固存的启发，建立了仿泥鳅体表的微观形貌特征，本发明的目的在于提供一种水田机械触泥部件仿生柔性减阻材料及制备方法与应用，用以实现水田机械工作时的减阻效果。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：

本发明一种仿生柔性减阻材料结构，所述材料的基体表面带有并列设置的多个V型槽结构。

优选地，所述V型槽同侧倾斜设置，V型槽S的范围为0.05-1.50mm。

优选地，相邻所述V型槽根部间距L的范围为0.05-1.50mm，V型槽高度H的范围为0.01-0.50mm，相邻V型槽间顶端的夹角β的范围为30°-135°，倾角α的范围为0°＜α＜90°，且α+β＜180°。

优选地，所述基体的材料为PDMS、PMMA、柔性复合材料或金属中的一种。

本发明的仿生柔性减阻材料结构的制备方法，有两种，其一包括如下步骤：

1)样品预处理:首先将新鲜泥鳅表皮进行粘液脱附处理、蒸馏水冲洗去除溶液残留，其次再用甲醛溶液浸泡后，最后利用乙醇梯度脱水、干燥后待用；

2)取一块泥鳅表皮或者体表上的单个鳞片，通过电镜观察到的生物体表面的微观结构，建立三维仿生微结构，采用微加工方法加工出带有微观结构的仿生模具；

3)制作仿生微结构的反结构：将配置好的混合溶液倒入上述步骤2)得到的仿生模具上，溶液的深度高出表皮3-5mm，然后将其放置于真空干燥箱中，加热温度50-90℃，压力20-50KPa，保温保压时间为1h，获得与仿生模具相反的微结构模型；

4)制作仿生微结构：将配置好的硅胶溶倒入上述步骤3)脱模处理后的与仿生模具相反的微结构模型上，然后将其置于真空干燥箱中加热温度50-90℃，压力20-50KPa，保温保压时间为1h，得到仿生柔性表面结构；

5)上述步骤4)经过脱模处理后，得到具有表面带有并列设置的多个V型槽结构的水田机械触泥部件仿生柔性减阻表面材料结构。

其二：一种仿生柔性减阻材料结构的制备方法，包括如下步骤：

1)样品预处理:首先将新鲜泥鳅表皮进行粘液脱附处理、蒸馏水冲洗去除溶液残留，其次再用甲醛溶液浸泡后，最后利用乙醇梯度脱水、干燥后待用；

2)制作仿生微结构的反结构：将配置好的混合溶液倒入上述步骤1)已处理好的泥鳅表皮上，溶液的深度高出表皮3-5mm，然后将其放置于真空干燥箱中，加热温度50-90℃，压力20-50KPa，保温保压时间为1h，获得与泥鳅体表微结构相反的微结构模型；

3)制作仿生微结构：将配置好的硅胶溶倒入上述步骤2)脱模处理后的与泥鳅体表微结构相反的微结构模型上，然后将其置于真空干燥箱中加热温度50-90℃，压力20-50KPa，保温保压时间为1h，得到仿生柔性表面结构；

4)上述步骤3)经过脱模处理后，得到水田机械触泥部件仿生柔性减阻表面材料结构。

优选地，所述步骤1)中去除生物表皮的粘液是采用浓度为5％的碳酸氢钠溶液中侵泡10min，利用蒸馏水冲洗10min去除表皮残留的碳酸钠晶体；然后再放入丙酮溶液中侵泡10min，取出后侵泡在浓度35％的甲醛溶液浸泡3h后；将浸泡后的表皮依次放入如下浓度30％，50％，70％，80％，90％的乙醇溶液中各5min进行梯度脱水；最后将表皮平展固定后进行干燥处理。

优选地，所述步骤2)中的混合溶液是由不饱和树脂、固化剂、促进剂按照85-115:1.5-3.5:1.5-3.5比例配制。

优选地，所述硅胶溶液是由硅胶与固化剂按照10:1配比均匀混合而成，静止1h后使用。

一种仿生柔性减阻材料结构用于水田机械触泥部件表面进行仿生减阻的应用，将所述的仿生减阻材料结构置于水田机械、水路两栖类装甲车、水下机械、钻泥潜航器的触泥部件表面。

本发明的有益效果为：

1.本发明仿照泥鳅体表鳞片的微观结构形貌特征，在与泥壤接触的触泥部件表面加工出V型槽状的仿生非光滑表面结构，用于水田泥壤机械触泥部件表面或者水下需减阻零件表面，可以有效地降低泥壤机械工作时前行的阻力。

2.本发明的制备方法简单，所采用的溶液配比及制备参数利于固化，并易于成型。所采用的硅胶溶液及其制备过程不仅利于成型，且制成的仿生减阻材料结实耐用，不易磨损。

3.本发明制造出的仿生柔性表面结构在受到流体冲击时能够发生柔性变形，与刚性的表面微观结构相比能够减少仿生表面对于流体的压差阻力和粘性阻力，从而达到减阻的效果。

4.本发明制造出的仿生柔性表面微观结构是仿照泥鳅表面微观结构，对于流体具有吸附和保持的作用，V槽表面形成的低压区能够不断的吸附周围的流体介质，这将为水田机械、水路两栖类装甲车、水下机械、钻泥潜航器的减阻问题提供探索新途径。

附图说明

图1为仿泥鳅体表微结构加工出的减阻材料结构实物局部放大示意图。

图2为水田机械触泥部件仿生结构模型示意图。

图3为图2的侧面结构示意图。

图4为通过模板加工出的仿生微结构的实物局部放大示意图。

图5为仿生柔性减阻材料结构的减阻率随速度的变化曲线图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案及效果更加清楚、明确，以下对于本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例1:如图1所示，本发明一种以泥鳅表皮为仿生模板加工出的柔性减阻材料。本实施例所述的水田机械触泥部件仿生减阻表面能够将水困在两个相邻的仿生微结构单元之间，生成一个低压区，促使周围的水不断向该区聚集，在仿生结构单元体表面上形成一层稳定的水膜，实现减阻的效果。

本发明实施例提供一种仿生减阻材料结构的制备方法，包括如下步骤：

样品预处理:首先将泥鳅表皮的粘液进行脱附处理、蒸馏水冲洗去除溶液残留，再用丙酮脱水和固定，用甲醛溶液浸泡防腐，或者不用丙酮，只用35％的甲醛浸泡；最后用乙醇梯度脱水、干燥后待用；

1)具体为：去除生物表皮的粘液是采用浓度为5％的碳酸氢钠溶液中侵泡10min，利用蒸馏水冲洗10min去除表皮残留的碳酸钠晶体；然后再放入纯的丙酮溶液中侵泡10min，取出后侵泡在浓度35％的甲醛溶液浸泡3h后，进行表皮分离；将分离后的表皮依次放入如下浓度30％，50％，70％，80％，90％的乙醇溶液中各5min进行梯度脱水；最后将表皮平展固定后进行干燥处理。

2)制作仿生微结构的反结构：将配置好的混合溶液倒入上述步骤1)已处理好的泥鳅表皮上，然后其放置于真空干燥箱中，加热温度50-90℃，压力20-50KPa，保温保压时间为1h；获得与泥鳅体表微结构相反的微结构模型；

所述的混合溶液是由不饱和树脂、固化剂、促进剂按照100:2.5:2.5比例配制；所述获得与泥鳅体表微结构相反的微结构模型，是将配置好的溶液倒入已固定好的泥鳅表皮上，溶液的深度高出表皮3mm；将其放入真空干燥箱中加热，温度50℃，压力20KPa，保温保压时间为1h。

3)制作仿生微结构：将配置好的硅胶溶倒入上述步骤2)脱模处理后的反结构上，然后将其置于真空干燥箱中加热温度90℃，压力50KPa，保温保压时间为1h，得到仿生表面结构；

所述硅胶溶液是由硅胶与固化剂按照10:1配比均匀混合而成，静止1h后，将硅胶溶液倒入脱模后的反结构上，再放入真空干燥箱中加热温度90℃，压力50KPa，保温保压时间为1h，经过脱模后得到仿生表面结构。

4)上述步骤3)经过脱模处理后，得到水田机械触泥部件仿生减阻表面材料结构。本例制备得到的仿生微结构表面材料如图2、图3所示。

在本例所选材料为PDMS。

实施例2：本例与实施例1不同的是：本例的制备方法为：

(1)首先新鲜泥鳅表皮放入浓度为5％的碳酸氢钠溶液中侵泡10min去除泥鳅体表附着的粘液，利用蒸馏水冲洗10min去除泥鳅体表残留的碳酸钠晶体。然后再将泥鳅表皮放入纯的丙酮溶液中侵泡10min，取出后将泥鳅表皮侵泡在浓度35％的甲醛溶液浸泡3h后。将脱离后的泥鳅表皮依次放入如下浓度30％，50％，70％，80％，90％的乙醇溶液中各5min进行梯度脱水。最后将泥鳅表皮平展固定后，进行干燥处理。

(2)仿生微结构的反结构制造流程：将不饱和树脂、固化剂、促进剂按照115:3.5:3.5比例配制混合溶液。将配置好的混合溶液倒入已固定的泥鳅表皮上，溶液的深度高出表皮5mm。然后其放置于真空干燥箱中，加热温度90℃，压力40KPa，保温保压时间为1h。在混合溶液固化后获得与泥鳅体表微结构相反的微结构。最后进行脱模处理。重复上述操作直到加工出表面平整、结构清楚的仿生反结构模型。

(3)仿生微结构的制造流程：将硅胶与固化剂按照10:1配比均匀混合，静止1h后，将硅胶溶液倒入脱模后反结构上，然后其放置于真空干燥箱中，加热温度50℃，压力20KPa，保温保压时间为1h。脱模后最终获得仿生微结构表面。

实施例3：如图2、图3所示，本发明一种仿生减阻材料结构，所述材料的基体表面带有并列设置的多个V型槽结构。具有微米级结构的仿生表面，具体包括设置于所述的基体表面的微观结构和尺寸。本实施例所述的水田机械触泥部件仿生减阻表面能够将水困在两个相邻的仿生微结构单元之间，生成一个低压区，促使周围的水不断向该区聚集，在仿生结构单元体表面上形成一层稳定的水膜，实现减阻的效果。本例与实施例1不同的是：本例的具体制备方法为：包括如下步骤

在本例施方式中，相邻两个所述V型槽同侧倾斜设置，V型槽的最大开口S为1.50mm。

本例所述V型槽根部间距L为1.50mm，V型槽高度H为0.28mm，相邻V型槽间顶端的夹角β为80°，倾角α为10°，如图3的结构模型所示。在该结构尺寸参数范围作用下，仿生表面在泥壤介质环境下具有减阻的效果。

在本例所选材料为PMMA。

实施例3：本实施例提供一种仿生减阻材料结构的制备方法，包括如下步骤：

1)首先将麻醉后的泥鳅或者新鲜泥鳅表皮放入浓度为5％的碳酸氢钠溶液中侵泡10min去除泥鳅表皮体表粘液，利用蒸馏水冲洗10min去除泥鳅表皮体表残留的碳酸钠晶体。

2)取其体表的一小块面积(10mm×10mm)或者体表上的单个鳞片，利用SEM扫描电镜、透射电镜或者3D超景深显微镜观察生物体表面的微观形貌特征。然后利用3维建模软件建立仿生微结构，如图2所示，最后利用CNC数控加工(Computerized Numerical Control)、激光雕刻、3D打印、模具法、电子束刻蚀等微加工方法加工出带有微观结构的模具。

3)仿生微结构的反结构制造流程：将不饱和树脂、固化剂、促进剂按照85:1.5:1.5比例配制。将已配置好的溶液倒入所述模具上，溶液的深度高出模具上表面3-5mm。然后其放置于真空干燥箱中，加热温度70℃，压力30KPa，保温保压时间为1h。在混合溶液固化后获得与仿生模具相反的微结构模型。最后进行脱模处理。重复上述操作直到加工出表面平整、结构清楚的仿生反结构模具。

4)仿生微结构的制造流程：将硅胶与固化剂按照10:1配比均匀混合，静止1h后，将硅胶溶液倒入脱模后反结构模具上，然后其放置于真空干燥箱中，加热温度60℃，压力35KPa，保温保压时间为1h。脱模后最终得到具有表面带有并列设置的多个V型槽结构的水田机械触泥部件仿生柔性减阻表面材料结构，所图2-图4所示。

在本例所选基体材料为金属，如铁、铜、铝或钛等。

本例制备得到的仿生微结构表面材料如图2-图4所示，所述材料表面的V型槽同侧倾斜设置，V型槽的最大开口S为1.50mm。相邻所述V型槽根部间距L为1.50mm，V型槽高度H为0.50mm，相邻V型槽间顶端的夹角β为74°，倾角α的范围为53°。

实施例4：本例与实施例3不同的是，本例中制备得到的仿生微结构表面材料V型槽的开口S为0.10mm。相邻所述V型槽根部间距L为0.10mm，V型槽高度H为0.05mm，相邻V型槽间顶端的夹角β为90°，倾角α为45°。

在本例所选基体材料为柔性复合材料。

实施例5：本例与实施例3不同的是，本例中制备得到的仿生微结构表面材料V型槽开口S为1.50mm。相邻所述V型槽根部间距L为0.05mm，V型槽高度H为0.01mm，相邻V型槽间顶端的夹角β的范围为78.7°，倾角α的范围为11.3°。

实施例6：本例与实施例3不同的是，本例中制备得到的仿生微结构表面材料V型槽开口S为1.00mm。相邻所述V型槽根部间距L为0.50mm，V型槽高度H为0.50mm，相邻V型槽间顶端的夹角β的范围为60°，倾角α的范围为30°。

实施例7：本例与实施例3不同的是，本例中制备得到的仿生微结构表面材料V型槽开口S为1.50mm。相邻所述V型槽根部间距L为1.50mm，V型槽高度H为0.20mm，相邻V型槽间顶端的夹角β为135°，倾角α为9°。

实施例8：本例与实施例3不同的是，本例中制备得到的仿生微结构表面材料V型槽开口S为0.50mm。相邻所述V型槽根部间距L为0.50mm，V型槽高度H为0.10mm，相邻V型槽间顶端的夹角β为30°，倾角α的为9°。

本发明所述仿生减阻材料结构置于水田机械触泥部件表面，也可以用于钻泥潜航器的表面，使所应用的部件表面具有减阻的效果。在泥壤介质环境下，当作业机械向前运动时，在相邻的两个仿生微结构能够形成逆时针旋转的漩涡，促使周围的水不断聚集到仿生结构单元之间，在仿生微结构表面生成了一层稳定的水膜，减少了机械与泥壤相互作用的面积，对于水田机械的触泥部件能够起到润滑减阻的作用。经试验验证得出仿生柔性表面在饱和含水率为34％的泥壤环境中其平均减阻率为15.50％，如图5所示。这将为水路两栖类装甲车、水下机械、钻泥潜航器的节能降阻，减少能源消耗提高续航力提供了研究基础。

Claims (10)

1.一种仿生柔性减阻材料结构，其特征在于：所述材料的基体表面带有并列设置的多个V型槽结构。

2.根据权利要求1所述的仿生柔性减阻材料结构，其特征在于：所述V型槽同侧倾斜设置，V型槽的开口S的范围为0.05-1.50mm。

3.根据权利要求1所述的仿生柔性减阻材料结构，其特征在于：相邻所述V型槽根部间距L的范围为0.05-1.50mm，V型槽高度H的范围为0.01-0.50mm，相邻V型槽间顶端的夹角β的范围为30°-135°，倾角α的范围为0°＜α＜90°，且α+β＜180°。

4.根据权利要求1所述的仿生柔性减阻材料结构，其特征在于：所述基体的材料为PDMS、PMMA、柔性复合材料或金属中的一种。

5.根据权利要求1所述的仿生柔性减阻材料结构的制备方法，其特征在于：包括如下步骤：

1)样品预处理:首先将新鲜泥鳅表皮进行粘液脱附处理、蒸馏水冲洗去除溶液残留，其次再用甲醛溶液浸泡后，最后利用乙醇梯度脱水、干燥后待用；

2)取一块泥鳅表皮或者体表上的单个鳞片，通过电镜观察到的生物体表面的微观结构，建立三维仿生微结构，采用微加工方法加工出带有微观结构的仿生模具；

3)制作仿生微结构的反结构：将配置好的混合溶液倒入上述步骤2)得到的仿生模具上，溶液的深度高出表皮3-5mm，然后将其放置于真空干燥箱中，加热温度50-90℃，压力20-50KPa，保温保压时间为1h，获得与仿生模具相反的微结构模型；

4)制作仿生微结构：将配置好的硅胶溶倒入上述步骤3)脱模处理后的与仿生模具相反的微结构模型上，然后将其置于真空干燥箱中加热温度50-90℃，压力20-50KPa，保温保压时间为1h，得到仿生柔性表面结构；

5)上述步骤4)经过脱模处理后，得到具有表面带有并列设置的多个V型槽结构的水田机械触泥部件仿生柔性减阻表面材料结构。

6.一种仿生柔性减阻材料结构的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

1)样品预处理:首先将新鲜泥鳅表皮进行粘液脱附处理、蒸馏水冲洗去除溶液残留，其次再用甲醛溶液浸泡后，最后利用乙醇梯度脱水、干燥后待用；

2)制作仿生微结构的反结构：将配置好的混合溶液倒入上述步骤1)已处理好的泥鳅表皮上，溶液的深度高出表皮3-5mm，然后将其放置于真空干燥箱中，加热温度50-90℃，压力20-50KPa，保温保压时间为1h，获得与泥鳅体表微结构相反的微结构模型；

3)制作仿生微结构：将配置好的硅胶溶倒入上述步骤2)脱模处理后的与泥鳅体表微结构相反的微结构模型上，然后将其置于真空干燥箱中加热温度50-90℃，压力20-50KPa，保温保压时间为1h，得到仿生柔性表面结构；

4)上述步骤3)经过脱模处理后，得到水田机械触泥部件仿生柔性减阻表面材料结构。

7.根据权利要求5或6所述的仿生柔性减阻材料结构的制备方法，其特征在于：所述步骤1)中去除生物表皮的粘液是采用浓度为5％的碳酸氢钠溶液中侵泡10min，利用蒸馏水冲洗10min去除表皮残留的碳酸钠晶体；然后再放入丙酮溶液中侵泡10min，取出后侵泡在浓度35％的甲醛溶液浸泡3h后；将浸泡后的表皮依次放入如下浓度30％，50％，70％，80％，90％的乙醇溶液中各5min进行梯度脱水；最后将表皮平展固定后进行干燥处理。

8.据权利要求5或6所述的仿生减阻材料结构的制备方法，其特征在于：所述步骤2)中的混合溶液是由不饱和树脂、固化剂、促进剂按照85-115:1.5-3.5:1.5-3.5比例配制。

9.据权利要求5或6所述的仿生减阻材料结构的制备方法，其特征在于：所述硅胶溶液是由硅胶与固化剂按照10:1配比均匀混合而成，静止1h后使用。

10.一种如权利要求1-4任一项所述仿生柔性减阻材料结构用于水田机械触泥部件表面进行仿生减阻的应用，其特征在于，将所述的仿生减阻材料结构置于水田机械、水路两栖类装甲车、水下机械、钻泥潜航器的触泥部件表面。