CN110318080B - 形态-材料协同仿生抗冲蚀功能表面结构及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种形态‑材料协同仿生抗冲蚀功能表面结构及其制备方法，本发明基于沙漠蝎子背板结构为生物原型设计，所述结构设置在基体上，所述结构包括：设置在所述基体上的底层、设置在所述底层上的中间层、嵌设在所述中间层内的若干个球形颗粒、设置在所述中间层上的硬质表层；所述若干个球形颗粒呈阵列分布，所述硬质表层上与所述球形颗粒对应位置形成凸包阵列结构。由于在中间层中嵌设若干个球形颗粒，使硬质表层形成凸包阵列结构。凸包结构与多层结构一起协同增效，降低粒子对硬质表层的冲击能量，改变粒子与硬质表层的碰撞角度，还能起到抑制塑性变形、裂纹生成与扩张的作用，减少粒子对硬质表层的冲蚀磨损，提高了结构的抗冲蚀性能。

Description

形态-材料协同仿生抗冲蚀功能表面结构及其制备方法

技术领域

本发明涉及仿生材料领域，尤其涉及的是一种形态-材料协同仿生抗冲蚀功能表面结构及其制备方法。

背景技术

直升机在运行过程中，直升机旋翼会受到高速气流中的尘土、沙粒等的冲蚀，这种现象会造成旋翼叶片的损伤，影响直升机工作的效率与可靠性。特别是在直升机降落、起飞和近地飞行过程中冲蚀损伤现象更加明显。如果在沙尘环境中，沙蚀会进一步加重。涡扇发动机在工作过程中，在恶劣天气情况下，如雨天、火山喷发，叶片也会受到液滴、火山灰等的冲蚀损伤，从而造成严重的安全隐患和经济损失。

为了提高涡扇发动机叶片、直升机旋翼等的抗冲蚀性能，可以采用表面强化、优化叶型、防护涂层等方法。表面强化是对扇叶表面热处理加工，可以提高叶片的表面强度，但是效果有限，不能完全满足工程需求。优化叶型是指设计更加合理的扇叶型面，改善流场分布，但是其设计困难，技术还不够成熟。防护涂层是在直升机旋翼上制备一层防护材料，但是现有的防护材料的抗冲蚀性能有限，无法应对冲蚀更加严重的情况。

因此，现有技术还有待于改进和发展。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于，针对现有技术的上述缺陷，提供一种形态-材料协同仿生抗冲蚀功能表面结构及其制备方法，旨在解决现有技术抗冲蚀性能差，成本较高的问题。

本发明解决技术问题所采用的技术方案如下：

一种形态-材料协同仿生抗冲蚀功能表面结构，所述抗冲蚀功能表面结构设置在基体上，所述抗冲蚀功能表面结构包括设置在所述基体上的底层、设置在所述底层上的中间层、嵌设在所述中间层内的若干个球形颗粒、设置在所述中间层上的硬质表层；所述若干个球形颗粒呈阵列分布，所述硬质表层上与所述球形颗粒对应位置形成凸包阵列结构。

所述的形态-材料协同仿生抗冲蚀功能表面结构，其中，所述中间层的硬度小于所述硬质表层的硬度和所述底层的硬度。

所述的形态-材料协同仿生抗冲蚀功能表面结构，其中，所述底层为镍镀层；所述中间层为铜镀层；所述球形颗粒为合金钢颗粒；所述硬质表层为镍、铁、铬及其合金镀层的一种。

所述的形态-材料协同仿生抗冲蚀功能表面结构，其中，所述中间层的厚度为100-500微米；所述球形颗粒的半径为100-500微米；所述底层的厚度为5-20微米；所述硬质表层的厚度为5-20微米。

所述的形态-材料协同仿生抗冲蚀功能表面结构，其中，所述中间层上设置有若干个V形槽，所述若干个V形槽呈阵列分布，所述硬质表层上与所述V形槽对应位置形成V形槽阵列结构，所述V形槽上表面宽度为50-400微米。

一种如上述所述的形态-材料协同仿生抗冲蚀功能表面结构的制备方法，包括：

在基体上电镀底层；

将模板贴合在底层上，其中，所述模板上设置有通孔；

通过落砂法将球形颗粒填充于通孔内；

在模板上电镀中间层一段时间后，去除模板，并继续电镀中间层至预定厚度；

在中间层上电镀硬质表层。

所述的形态-材料协同仿生抗冲蚀功能表面结构的制备方法，其中，所述在基体上电镀底层之前还包括：

对球形颗粒、基体进行预处理；其中，预处理包括：除油、浸蚀、粗化、敏化、活化中的一种或多种。

所述的形态-材料协同仿生抗冲蚀功能表面结构的制备方法，其中，所述通孔通过激光打标机在模板上制得，其中，所述球形颗粒的直径小于所述通孔的直径。

所述的形态-材料协同仿生抗冲蚀功能表面结构的制备方法，其中，所述在模板上电镀中间层一段时间后，去除模板，包括：

在模板上电镀中间层一段时间得到半成品；

将半成品放入溶剂中，使模板溶解；

继续电镀中间层至预定厚度。

所述的形态-材料协同仿生抗冲蚀功能表面结构的制备方法，其中，所述继续电镀中间层至预定厚度之后还包括：

在中间层上方预定距离放置倒三角形阴极；

通过倒三角形阴极对中间层进行电解处理得到V形槽；

所述模板为PET胶片，所述溶剂为四氢呋喃。

有益效果：由于在基体上依次设置有底层、中间层、硬质表层，并且在中间层中嵌设若干个球形颗粒，若干个球形颗粒与V形槽均匀分布，使硬质表层形成凸包阵列结构。凸包结构与多层结构一起协同增效，可以有效降低冲击粒子对硬质表层的冲击能量，同时改变冲击粒子与硬质表层的碰撞角度，还能起到抑制裂纹生成与扩张的作用，提高了仿生抗冲蚀功能表面的抗冲蚀性能。

附图说明

图1是本发明中形态-材料协同仿生抗冲蚀功能表面结构的三维立体图。

图2A是本发明中形态-材料协同仿生抗冲蚀功能表面结构的第一局部剖视图。

图2B是本发明中形态-材料协同仿生抗冲蚀功能表面结构的第二局部剖视图。

图3是本发明中形态-材料协同仿生抗冲蚀功能表面结构的俯视图。

图4是本发明中模板的俯视图。

图5是本发明中形态-材料协同仿生抗冲蚀功能表面结构制备方法的流程图。

图6是本发明中粒子冲蚀形态-材料协同仿生抗冲蚀功能表面结构的第一原理示意图。

图7是本发明中粒子冲蚀形态-材料协同仿生抗冲蚀功能表面结构的第二原理示意图。

图8是本发明中粒子冲蚀形态-材料协同仿生抗冲蚀功能表面结构的第三原理示意图。

图9是本发明中粒子冲蚀形态-材料协同仿生抗冲蚀功能表面结构的第四原理示意图。

图10是本发明中粒子冲蚀形态-材料协同仿生抗冲蚀功能表面结构的第五原理示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚、明确，以下参照附图并举实施例对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

请同时参阅图1-图10描述本发明一些实施例所述的形态-材料协同仿生抗冲蚀功能表面结构。

本发明以沙漠蝎子背板结构为生物原型设计，沙漠蝎子在长期的风沙环境中生活，经过了数千年的进化，其进化出了优异的抗冲蚀功能表面。在体表上硬质凸包、表皮多层结构和V型节间膜等协同作用下，蝎子具有优异的抗风沙冲蚀能力。

请同时参阅图1-图2(图2包括图2A和图2B)，本发明提供了一种形态-材料协同仿生抗冲蚀功能表面结构1，所述形态-材料协同仿生抗冲蚀功能表面结构1设置在基体上50，所述形态-材料协同仿生抗冲蚀功能表面结构1包括设置在所述基体上50的底层40、设置在所述底层40上的中间层30、嵌设在所述中间层30内的若干个球形颗粒20、设置在所述中间层30上的硬质表层10；所述若干个球形颗粒20呈阵列分布，所述硬质表层10上与所述球形颗粒20对应位置形成凸包101阵列结构。

在本发明的另一较佳实施例中，可以在中间层30上设置若干个V形槽102，若干个V形槽102呈阵列分布，具体地，V形槽102呈线性阵列分布，所述硬质表层10上与所述V形槽102对应位置形成V形槽阵列结构。本发明具体实施例中，对中间层30上的V形槽和最终硬质表层10上形成的V形槽不做区分，统一称为V形槽。

本方案中，图1是形态-材料协同仿生抗冲蚀功能表面结构的三维立体图，图2A即是从其中一个凸包101中间纵向切开得到的剖视图，图2B即是从其中一个V形槽102中间纵向切开得到的剖视图。其中，基体50是形态-材料协同仿生抗冲蚀功能表面结构1所要保护的对象，基体50可以是涡扇发动机叶片、直升机旋翼等工作环境恶劣，对抗冲蚀性能要求较高的部件。形态-材料协同仿生抗冲蚀功能表面结构1覆盖住整个基体50表面，使得基体50不受冲击粒子(如沙石、火山灰、液滴)的直接冲击。其中，底层40直接与基体50接触，并且紧密贴合，优选地，可以通过电镀的方式将底层40电镀在基体50上，在底层40上设置有一层中间层30，中间层30内部嵌入有若干个球形颗粒20，球形颗粒20的形状为圆球形，球形颗粒20能导电以便于在其上电镀。较佳地，球形颗粒20采用硬质球形颗粒，也就是说，采用硬度较高的材料制成，例如钢材料，通常硬质球形颗粒可加工得到更小的尺寸，可以适用不同的凸包尺寸的需求(凸包的尺寸是根据其工作环境来确定的)，采用硬质球形颗粒也有利于保持凸包阵列结构，避免在使用过程中凸包阵列结构受到冲击粒子的冲蚀而变形甚至消失。若干个球形颗粒20有规则的阵列分布在中间层30内，使得中间层30上每一个对应有球形颗粒20的地方都形成凸起，在中间层30上设置一层硬质表层10，硬质表层10覆盖中间层30的上表面，由于中间层30上有凸起，硬质表层10对应位置会形成凸包101，并且硬质表层10上的凸包101略大于中间层30上的凸起且将其包裹住。

硬质表层10上的凸包101位置与中间层30内若干个球形颗粒20的位置相对应，同样有规则的阵列分布在硬质表层10上，形成凸包101阵列结构，全方位地保护基体50，当冲击粒子碰撞形态-材料协同仿生抗冲蚀功能表面结构1时，半球形的凸包101结构与V形槽102结构可以改变冲击粒子的与硬质表层10的碰撞角度，结构在不同冲蚀角下，冲蚀损伤率是不同的，改变冲蚀角对提高材料抗冲蚀性能具有重要作用，特别是对原冲蚀角(即相对平板的冲蚀角)在造成材料最大冲蚀率的冲蚀角附近的情况时，这种凸包与V形槽结构可以极大的提高材料的抗冲蚀能力。同时，如图10所示，硬质表层的V形槽结构，可以通过形成‘扰流层’的方式，降低冲击粒子对硬质表层的冲击能量，冲击能量是影响冲蚀损伤的重要因素，在其它因素相同的情况下，冲击能量越低，冲击粒子造成的冲蚀损伤越小。形态-材料协同仿生抗冲蚀功能表面结构1具有优异的抗冲蚀能力。

具体地，所述中间层30的硬度小于所述硬质表层10的硬度和所述底层40的硬度。如图9所示，由于凸包101与V形槽102的存在，冲击粒子的冲蚀角在凸包101与V形槽102表面与平面上不同，凸包101的弧面与V形槽102倾斜壁面结构改变了粒子的冲蚀角，如粒子P₂、P₃、P₅与正常冲击在平面上的粒子的冲蚀角不同。同时由于凸包101弧面与V形槽102倾斜壁面结构的存在，粒子对凸包101弧面V形槽102倾斜壁面存在冲蚀死角，图9与图10中的凸包101和V形槽102背离粒子的一侧形成的三角形区域，不会受到粒子的冲蚀，减小了硬质表层10受粒子冲蚀面积占材料总面积的比值，在其它因素相同的条件下，由于单位面积内的冲蚀失重量不变，冲蚀面积占材料总面积的比值的减小，可以明显的提高材料的抗冲蚀性能。最后，在V形槽102中，会形成扰流，形成空气垫，在扰流层的作用下，一些速度小的颗粒可能没撞击到功能表面(如图10中粒子P₄)，直接随着扰流层气体离开表面，扰流降低了粒子的撞击速度，减少了撞击到表面的粒子数量，降低了冲蚀磨损。这些现象同时作用，提高材料的抗冲蚀性能。同时凸包101和V形槽102可以抑制硬质表层上的塑性变形或者裂纹扩张，在硬质表层，由于凸包结构与V形槽，与平面之间有着明显的形状过渡，这就可以抑制硬质表层上的塑性变形或者裂纹扩张，塑性变形或者裂纹扩张进行到凸包或者V形槽时时，由于其与平面之间有着明显的形状过渡，塑性变形或者裂纹扩张会被抑制，提高结构的表面的抗冲蚀作用。

请同时参阅图1-图2，所述底层40为镍镀层；所述中间层30为铜镀层；所述球形颗粒20为合金钢颗粒；所述硬质表层10为镍、铁、铬及其合金镀层的一种。

本方案中，中间层30、硬质表层10、底层40所选用的材料硬度均不相同，层与层之间形成硬度差，中间层30硬度最小，硬质表层10和底层40相对于中间层30的硬度较大，形成刚柔耦合的夹层结构，这种结构中中间层30较软可以有效的吸收冲击粒子的能量，在粒子冲击过程中，会发生塑性变形，从而吸收部分粒子的冲击能，进而降低粒子冲击硬质表层的力，减缓硬质表层塑性变形或者裂纹生成与扩展速率，进而提高材料的抗冲蚀性能。具体地，如图6-图8所示，在粒子P₁冲击硬质表层10时，中间层30发生塑性变形，厚度减小变成H₄后恢复成H₂，并使粒子P₁反弹，改变粒子P₁的方向(图6和图8中箭头表示粒子的冲蚀方向)。

硬质表层10较硬起到保护作用中间层30的作用，当然，硬质表层的力学性能优于基体50，具有较好的抗冲蚀的性能，才能更好的保护基体50，且在粒子冲击功能表面时，硬质表层10的硬度高，可以抑制塑性变形或者裂纹扩展，降低因为塑性变形或者裂纹扩展而导致材料碎屑剥离材料表面造成的冲蚀损伤。而底层40起支撑的作用，底层40也较硬可在硬质表层10的基础上进一步保护基体50，当然底层40也起到提高形态-材料协同仿生抗冲蚀功能表面结构1与基体50之间的结合力的作用，防止形态-材料协同仿生抗冲蚀功能表面结构1从基体50上脱落。

优选地，中间层30可以采用较软的铜制备而成，而底层40为镍镀层，镍镀层具有一定的硬度，同时又可以与基体50以及中间层30紧密结合，使得形态-材料协同仿生抗冲蚀功能表面结构1可以牢牢覆盖在基体50上，避免形态-材料协同仿生抗冲蚀功能表面结构1脱落，硬质表层10是暴露在外界的表面，直接与冲击粒子接触，承受冲击，因此，选用具有高硬度的镍、铁、铬及其合金镀层的一种来制备硬质表层10，可以大大提高形态-材料协同仿生抗冲蚀功能表面结构1的抗冲蚀性能，同时硬质表层10具有优异的耐磨性，减轻了冲击粒子对硬质表层10表面的磨损。

形态-材料协同作用的具体解释：首先，在粒子未撞击功能表面时，由于在V形槽之间形成扰流，在扰流层的作用下，一些速度小的颗粒可能没撞击到功能表面，直接随着扰流层气体离开表面，扰流降低了粒子的撞击速度，减少了撞击到表面的粒子数量。同时，由于凸包与V形槽的作用，在功能表面上存在冲蚀死角，降低了功能表面的冲蚀面积。其次，在粒子撞击到功能表面时，由于凸包与V形槽的存在，改变了粒子对功能表面的冲击角度。而且，由于多层结构的存在，其可以进一步的降低粒子对材料的冲击力。最后，由于硬质表层采用硬度较高的耐磨材料，提高材料抵抗由于塑性变形和裂纹扩张引起的材料剥落现象。而且，在塑性变形和裂纹扩张过程中，凸包和V形槽结构可以进一步的抑制塑性变形和裂纹扩张。这些现象共同协同作用，相对于仅一种现象的作用，可以起到更好的抗冲蚀效果。

可见，这里的形态-材料协同是指，与传统的只提高材料的力学性能和近些年提出的改变材料的表面形态提高抗冲蚀性能的方法相比，本发明提出了同时改善材料的力学性能和表面形态的新方法，从而达到协同仿生的效果，进一步的提高材料的抗冲蚀性能。不仅形态有抗冲蚀效果，材料也有抗冲蚀的效果，两者叠加，从而提高材料的抗冲蚀性能。

请同时参阅图1-图3，在本发明的一个较佳实施例中，所述中间层30的厚度为100-500微米；所述球形颗粒20的半径为100-500微米；所述V形槽102上表面宽度为50-400微米；所述底层40的厚度为5-20微米；所述硬质表层10的厚度为5-20微米。

在本方案中，中间层30起中间缓冲的作用，硬质表层10厚度较薄，在硬质表层10受到冲击粒子的冲击时，冲击力一部分被凸包101转化为滑动摩擦力，另一部分冲击力传入中间层30，中间层30相对于硬质表层，硬度低，在受到冲击时，可以发生塑性变形，缓释一部分冲击能，厚度越大，缓冲效果越好，当然，厚度太大也会影响形态-材料协同仿生抗冲蚀功能表面结构1的尺寸。如图2所示，D1为硬质表层10上的凸包101的直径，D2为球形颗粒20的直径，H1为底层40的厚度，H2为中间层30的厚度(该厚度为不包含凸起部分的厚度)，H3为硬质表层10的厚度，其中，D1＝D2+H2+H3，底层40厚度为5-20微米，优选为10微米，中间层30厚度为100-500微米，硬质表层10厚度为5-20微米，优选为10微米。如图3所示，相邻凸包101的间距为L1，其中L1＝D1，凸包101之间排布均匀，全方位保护基体50。V形槽102的上表面宽度为W1，相邻V形槽102的间距为L3，L3＝L1，V形槽到相邻凸包列的距离相等。

请同时参阅图1-图2，在本发明的一个具体实施例中，所述若干个球形颗粒20呈矩阵阵列分布。

在本方案中，球形颗粒的作用主要是形成凸包结构。凸包结构通过改变冲蚀角、抑制塑性变形或者裂纹扩张等作用提高材料的抗冲蚀性能，通过这些与改变材料性能、V形槽结构、多层结构一起协同增效。设计若干个球形颗粒20以矩阵阵列的方式排布，同时V形槽也成线性阵列分布，使硬质表层10上的凸包101与V形槽102结构密度均匀，避免出现部分较大区域内没有凸包101和V形槽102结构，导致该区域抗冲蚀性能差的问题。

本发明还提供了一种如上述所述的形态-材料协同仿生抗冲蚀功能表面结构的制备方法的较佳实施例：

如图1-图5所示，本发明实施例所述一种如上述所述的形态-材料协同仿生抗冲蚀功能表面结构1的制备方法，包括以下步骤：

步骤S100、在基体50上电镀底层40。

步骤S100具体为，为了保证镀层具有良好的附着力，需对基体50的表面进行预镀处理，提高底层40与基体50的结合力。根据不同的基体50材料，选择不同的电镀液进行预镀工艺，如不锈钢采用冲击镍镀液，铝合金采用中性镍镀液，钛合金采用酸性镍镀液，特别的，对非金属基体，需要进行粗化、敏化、活化等前处理工艺。然后进行底层电镀，在基体50上通过电镀的方式，将底层40设置于基体50上。优选地，底层40可以为半光亮镍镀层，底层40厚度为5-20微米，最佳的厚度为10微米。

在步骤S100之前还包括：

步骤S0、对球形颗粒20、基体50进行预处理；其中，预处理包括：除油、浸蚀、粗化、敏化、活化中的一种或多种。

在本方案中，为了保证球形颗粒20、基体50与镀层之间的结合力，在电镀之前，需对球形颗粒20、基体50进行预处理，所述预处理包括除油、浸蚀、粗化、敏化、活化等前处理工艺中的一种或多种，对于球形颗粒20和金属基体50，需要进行除油、浸蚀、活化等前处理工艺。

步骤S200、将模板60贴合在底层上。

步骤S200具体为，请参阅图4，将一设置有通孔61的模板60贴合在底层上，其中，通孔61通过激光打标机制得，每个通孔61的直径大小相同且通孔61直径D3等于1.2倍的硬质表层10凸包101直径D1，通孔61直径要大于球形颗粒20的直径，以使球形颗粒20可以放入通孔61中，相邻通孔61之间的间距L2等于相邻凸包101的间距L1，准确地说，在制备形态-材料协同仿生抗冲蚀功能表面结构1的过程中，相邻通孔61之间的间距L2决定了相邻凸包101的间距L1。然后，对模板60进行加压、加热处理，使模板60紧密贴合在底层上。

优选地，所述模板60可以为PET(Polyethylene terephthalate，聚对苯二甲酸类塑料)胶片，模板60厚度为100-500微米，PET胶片具有很好的热塑性，可以紧密贴合在底层上，不容易错位，为之后球形颗粒20可以固定在准确的位置上提供了基础。

步骤S300、通过落砂法将球形颗粒20填充于通孔61内。

在本方案中，通过落砂法使若干个球形颗粒20分别落入对应的通孔61中，固定球形颗粒20在底层上的位置，这是由于球形颗粒20为球形，在电镀中间层30之前，如果没有通过通孔61固定球形颗粒20的位置，球形颗粒20将会滚动导致错位，影响制得的形态-材料协同仿生抗冲蚀功能表面结构1的质量。在球形颗粒20填充入通孔61后，球形颗粒20上面一部分会凸出于模板60平面。优选地，球形颗粒20的半径为100-500微米，球形颗粒20为合金钢颗粒。

步骤S400、在模板60上电镀中间层30一段时间后，去除模板60。

在本方案中，所述步骤S400具体包括：

S410、在模板60上电镀中间层30一段时间得到半成品。

在本方案中，在模板60上电镀一层中间层30，其中，电镀液选择铜镀液，根据电镀的中间层30厚度的不同，调整铜镀液的组分，使镀层具有较小内应力，以获得更好的电镀效果。由于球形颗粒20上面一部分凸出于模板60平面，在电镀中间层30过程中，形成的铜镀层会包裹球形颗粒，将球形颗粒固定在电镀底层40上得到半成品。这里电镀的一段时间可以根据需要设置，例如电镀30分钟后球形颗粒与电镀底层40结合稳固，只要将球形颗粒固定在底层40内，确保球形颗粒不会掉落即可。因此，此次电镀记为第一次电镀中间层。第一次电镀中间层仅是在模板的通孔61内进行电镀，从而固定球形颗粒。

S420、将半成品放入溶剂中，使模板60溶解。

在本方案中，将半成品放入一可溶解模板60的溶剂中，使模板60溶解，优选地，当模板60为PET胶片时，溶剂可以选择为四氢呋喃，当然还可以选择其他溶剂来去除PET，等待60分钟后，PET胶片完全溶解。之后再将模板60完全溶解的半成品进行一次除油、浸蚀、活化等前处理工艺，保证后续镀层的结合强度。然后，在去除模板的半成品上，继续电镀中间层，直至中间层达到需要的厚度。

S430、继续电镀中间层至预定厚度。

S440、在中间层上方预定距离放置倒三角形阴极。

S450、通过倒三角形阴极对中间层进行电解处理得到V形槽。

在去除模板后进行第二次电镀中间层，由于去除了模板，露出了整个基体表面，第二次电镀中间层是在基体表面所有位置上进行电镀，第二次电镀中间层，由于球形颗粒20的存在，中间层30上与球形颗粒20相应位置会形成凸起，凸起包覆球形颗粒20，球形颗粒20固定在中间层30内，电镀至预定厚度后即可到中间层30。

V形槽的加工方法：V形槽采用电解法进行加工，具体为，在第二次电镀中间层后，采用多组倒三角形阴极(例如，三棱柱状阴极)组合而成的群电极进行电解加工，提高电解加工V形槽的工作效率。倒三角形阴极的截面为类似于V形槽截面的类三角形(根据实际情况，略微调整电极类三角形截面底部形状)，倒三角形阴极的尺寸根据V形槽形状确定，三角形的尖头朝向中间层并与中间层保持预定间隙，通过电解液形成导电回路。在电解过程中，中间层作为阳极，发生电解反应变成阳离子，并溶解到电解液中，在中间层不断电解时，倒三角形阴极会向中间层方向(竖直向下方向)移动，也就是说，保持倒三角形阴极表面与中间层表面的间隙，中间层上则会形成与倒三角形阴极形状类似的V形槽。同时在电解过程中，V槽的底部尖端加工精度不易控制，为了提高加工精度，在倒三角形阴极的尖头设置倒角，该倒角为平面倒角或曲面倒角，在采用平面倒角时，则形成如图2B所示V形槽，V形槽的底部是平的。电解过程中，通过控制相邻阴极间距(即水平方向上的间距)、整个组电极与工件相对位置，实现V形槽位置的准确定位。在电解加工完成后，对工件进行一次除油、浸蚀、活化等前处理工艺，再进行电镀硬质表层。采用电解法加工具有如下优势：1、加工精度高、表面粗糙度小；2、加工过程中不产生机械切削力，加工后无残余应力。

优选地，中间层30的厚度为100-500微米，中间层30为铜镀层。

步骤500、在中间层30上电镀硬质表层10。

在本方案中，硬质表层10为镍、铁、铬及其合金镀层的一种，硬质表层10的厚度为5-20微米，最佳的厚度为10微米。

综上所述，本发明实现一种形态-材料协同仿生抗冲蚀功能表面结构及其制备方法，所述形态-材料协同仿生抗冲蚀功能表面结构设置在基体上，所述形态-材料协同仿生抗冲蚀功能表面结构包括：设置在所述基体上的底层、设置在所述底层上的中间层、嵌设在所述中间层内的若干个球形颗粒、设置在所述中间层上的V形槽结构、设置在所述中间层上的硬质表层；所述若干个球形颗粒与V形槽呈阵列分布，所述硬质表层上与所述球形颗粒对应位置形成凸包与V形槽阵列结构。由于在基体上依次设置有底层、中间层、硬质表层，并且在中间层中嵌设若干个球形颗粒并设有V形槽结构，若干个球形颗粒与V形槽均匀分布，使硬质表层形成凸包与V形槽阵列结构。凸包结构、V形槽结构、多层结构与涂层材料一起协同增效，可以有效减低冲击粒子对硬质表层的冲击能量，同时改变冲击粒子与硬质表层的碰撞角度，还能起到抑制塑性变形或者裂纹扩张的作用，减少冲击粒子对硬质表层的冲蚀磨损，提高了仿生抗冲蚀功能表面的抗冲蚀性能。

应当理解的是，本发明的应用不限于上述的举例，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (7)

1.一种形态-材料协同仿生抗冲蚀功能表面结构，所述抗冲蚀功能表面结构设置在基体上，其特征在于，所述抗冲蚀功能表面结构包括：设置在所述基体上的底层、设置在所述底层上的中间层、嵌设在所述中间层内的若干个球形颗粒、设置在所述中间层上的硬质表层；所述若干个球形颗粒呈阵列分布，所述硬质表层上与所述球形颗粒对应位置形成凸包阵列结构；所述中间层的硬度小于所述硬质表层的硬度和所述底层的硬度；所述球形颗粒采用硬质球形颗粒；在受到冲击时，所述中间层发生塑性变形，所述中间层、所述硬质表层以及所述底层形成刚柔耦合的夹层结构；所述中间层上设置有若干个V形槽，所述若干个V形槽呈阵列分布，所述硬质表层上与所述V形槽对应位置形成V形槽阵列结构。

2.根据权利要求1所述的形态-材料协同仿生抗冲蚀功能表面结构，其特征在于，所述底层为镍镀层；所述中间层为铜镀层；所述球形颗粒为合金钢颗粒；所述硬质表层为镍、铁、铬及其合金镀层的一种。

3.根据权利要求1所述的形态-材料协同仿生抗冲蚀功能表面结构，其特征在于，所述中间层的厚度为100-500微米；所述球形颗粒的半径为100-500微米；所述底层的厚度为5-20微米；所述硬质表层的厚度为5-20微米。

4.根据权利要求1所述的形态-材料协同仿生抗冲蚀功能表面结构，其特征在于，所述V形槽上表面宽度为50-400微米。

5.一种如权利要求1-4任意一项所述的形态-材料协同仿生抗冲蚀功能表面结构的制备方法，其特征在于，包括：

在基体上电镀底层；

将模板贴合在底层上，其中，所述模板上设置有通孔；

通过落砂法将球形颗粒填充于通孔内；所述球形颗粒的直径小于所述通孔的直径；

在模板上电镀中间层一段时间得到半成品；

将半成品放入溶剂中，使模板溶解；

继续电镀中间层至预定厚度；

在中间层上方预定距离放置倒三角形阴极；

通过倒三角形阴极对中间层进行电解处理得到V形槽；所述模板为PET胶片，所述溶剂为四氢呋喃；

在中间层上电镀硬质表层。

6.根据权利要求5所述的形态-材料协同仿生抗冲蚀功能表面结构的制备方法，其特征在于，所述在基体上电镀底层之前还包括：

对球形颗粒、基体进行预处理；其中，预处理包括：除油、浸蚀、粗化、敏化、活化中的一种或多种。

7.根据权利要求5所述的形态-材料协同仿生抗冲蚀功能表面结构的制备方法，其特征在于，所述通孔通过激光打标机在模板上制得。

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