CN112283570B - 耐冲蚀磨损的仿生微结构表面及单元 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种耐冲蚀磨损的仿生微结构表面及单元，仿生于沙漠蜥蜴体表鳞片的结构特征，由完全相同的仿生微结构单元向同一方向连续排列而成，仿生微结构单元为七面体，仿生微结构单元的底面为正六边形、顶面为六边形且与底面一边重合、五个侧面均垂直于底面，顶面与底面的夹角为迎流角，同一列的仿生微结构首尾紧密连接，相邻两列的仿生微结构紧密连接且相互错开一半。本发明能改变材料表面的两相流动状态、削弱固体颗粒对材料表面的磨损作用，提高了耐冲蚀磨损的性能，结构简单，成本低。

Description

耐冲蚀磨损的仿生微结构表面及单元
技术领域
本发明属于微结构表面领域，具体涉及一种耐冲蚀磨损的仿生微结构表面及单元。
背景技术
冲蚀磨损是指流体携带固体颗粒以一定角度和速度冲击材料表面而使材料从表面流失的一种现象。当设备运行在气固或液固两相流中时，其零部件不可避免的受到固体颗粒的冲蚀磨损破坏，冲蚀磨损不仅会引起零部件的变形、失效，造成经济损失，严重时会引发安全事故，造成人员伤亡。
仿生研究者发现生活于含沙环境中的生物体表几乎没有任何损伤，这些生物体的体表都具有非光滑表面结构，为抗磨损研究提供了的新思路。现有研究主要基于沙漠蝎子的体表结构特征，提出了V型槽、凸包、凹坑及条纹等具有一定抗磨损性能的仿生特征结构，但这些研究仅局限于上述单一特征结构的参数优化或者多个特征结构的简单组合。
发明内容
本发明的目的是提供一种耐冲蚀磨损的仿生微结构表面及单元，仿生于沙漠蜥蜴体表鳞片的结构特征，能改变材料表面的两相流动状态、削弱固体颗粒对材料表面的磨损作用，提高了耐冲蚀磨损的性能，结构简单，成本低。
本发明所采用的技术方案是：
一种耐冲蚀磨损的仿生微结构表面，仿生于沙漠蜥蜴体表鳞片的结构特征，由完全相同的仿生微结构单元向同一方向连续排列而成，仿生微结构单元为七面体，仿生微结构单元的底面为正六边形、顶面为六边形且与底面一边重合、五个侧面均垂直于底面，顶面与底面的夹角为迎流角，同一列的仿生微结构首尾紧密连接，相邻两列的仿生微结构紧密连接且相互错开一半。
进一步地，仿生微结构单元的底面边长为0.4～1.5mm、迎流角为12～29°。
优选地，仿生微结构单元的底面边长为0.56mm、迎流角为19°。
一种耐冲蚀磨损的仿生微结构单元，呈七面体形状，底面为正六边形、顶面为六边形且与底面一边重合、五个侧面均垂直于底面，顶面与底面的夹角为迎流角。
进一步地，底面边长为0.4～1.5mm、迎流角为12～29°。
优选地，底面边长为0.56mm、迎流角为19°。
本发明的有益效果是：
本发明仿生于沙漠蜥蜴体表优异的抗冲击磨损鳞片，综合考虑了鳞片的大小、形状和分布特征，采用仿生微结构单元排列而成，结构简单，成本低，同一列的仿生微结构首位紧密连接、相邻两列的仿生微结构紧密连接且相互错开一半的设置，不仅还原了沙漠蜥蜴体表鳞片连续分布的基本特征，充分尊重了自然选择的结果，而且仿生微结构单元被其它仿生微结构单元包围，实现了对材料表面的全覆盖，关键是，交错的设置形成了稳定的漩涡结构，在不同形状、大小的固体颗粒冲击下，漩涡结构使颗粒远离材料表面，改变材料表面的两相流动状态，或者改变颗粒对材料表面的磨损类型，削弱固体颗粒对材料表面的磨损作用，提高了耐冲蚀磨损的性能。
附图说明
图1是本发明实施例中耐冲蚀磨损的仿生微结构表面的示意图。
图2是图1的正视图。
图3是图1的侧视图。
图4是图1的俯视图。
图5是本发明实施例中仿生微结构单元的示意图。
图6是图5的正视图。
图7是图5的侧视图。
图8是图5的俯视图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。
本发明的设计思想源自沙漠蜥蜴背部体表鳞片的结构特征，使用高精度激光轮廓仪还原了沙漠蜥蜴鳞片的三维结构进行特征分析，并开展了蜥蜴鳞片的抗磨损机理研究，基于蜥蜴鳞片抗磨损机制提出了耐冲蚀磨损的仿生微结构表面设计方法。
如图1至图8所示，一种耐冲蚀磨损的仿生微结构表面，仿生于沙漠蜥蜴体表鳞片的结构特征，由完全相同的仿生微结构单元向同一方向连续排列而成，仿生微结构单元为七面体，仿生微结构单元的底面ABCDEF为正六边形，作为与材料表面的接触面，仿生微结构单元的顶面AGHIJF为六边形且与底面在AF边重合，顶面与底面的夹角β为迎流角，仿生微结构单元的五个侧面，有两个直角三角形ABG、EFJ和三个四边形BCHG、CDIH、DEJI，均垂直于底面，同一列的仿生微结构首尾紧密连接，相邻两列的仿生微结构紧密连接且相互错开一半。
仿生微结构单元的尺寸由底面边长和迎流角决定，仿生微结构单元的底面边长的选择范围是0.4～1.5mm，本实施例中正六边形边长为0.56mm，仿生微结构单元的迎流角的选择范围是12～29°，本实施例中迎流角等于19°。
本发明仿生于沙漠蜥蜴体表优异的抗冲击磨损鳞片，综合考虑了鳞片的大小、形状和分布特征，采用仿生微结构单元排列而成，结构简单，成本低，同一列的仿生微结构首位紧密连接、相邻两列的仿生微结构紧密连接且相互错开一半的设置，不仅还原了沙漠蜥蜴体表鳞片连续分布的基本特征，充分尊重了自然选择的结果，而且仿生微结构单元被其它仿生微结构单元包围，实现了对材料表面的全覆盖，关键是，交错的设置形成了稳定的漩涡结构，在不同形状、大小的固体颗粒冲击下，漩涡结构使颗粒远离材料表面，改变材料表面的两相流动状态，或者改变颗粒对材料表面的磨损类型，削弱固体颗粒对材料表面的磨损作用，提高了耐冲蚀磨损的性能。
应当理解的是，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，而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 (6)

1.一种耐冲蚀磨损的仿生微结构表面，其特征在于：仿生于沙漠蜥蜴体表鳞片的结构特征，由完全相同的仿生微结构单元向同一方向连续排列而成，仿生微结构单元为七面体，仿生微结构单元的底面为正六边形、顶面为六边形且与底面一边重合、五个侧面均垂直于底面，顶面与底面的夹角为迎流角，同一列的仿生微结构首尾紧密连接，相邻两列的仿生微结构紧密连接且相互错开一半。
2.如权利要求1所述的耐冲蚀磨损的仿生微结构表面，其特征在于：仿生微结构单元的底面边长为0.4～1.5mm、迎流角为12～29°。
3.如权利要求2所述的耐冲蚀磨损的仿生微结构表面，其特征在于：仿生微结构单元的底面边长为0.56mm、迎流角为19°。
4.一种耐冲蚀磨损的仿生微结构单元，其特征在于：呈七面体形状，底面为正六边形、顶面为六边形且与底面一边重合、五个侧面均垂直于底面，顶面与底面的夹角为迎流角。
5.如权利要求4所述的耐冲蚀磨损的仿生微结构单元，其特征在于：底面边长为0.4～1.5mm、迎流角为12～29°。
6.如权利要求5所述的耐冲蚀磨损的仿生微结构单元，其特征在于：底面边长为0.56mm、迎流角为19°。
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