基本信息
- 项目名称：
- 仿鲨鱼皮减阻功能高分子膜材的制备
- 来源：
- 第十二届“挑战杯”作品
- 小类：
- 能源化工
- 大类：
- 科技发明制作A类
- 简介：
- 本发明运用嵌入式-弹性印章法对新鲜鲨鱼皮表面的盾甲鳞结构在某些高分子材料表面直接进行微复制，得到“仿鲨皮”，克服了目前国内外研究工作中使用化学方法等对新鲜鲨鱼皮进行预处理时极易出现收缩（收缩率可达27%）、起皱和翘曲的难题，较高精度复制出了鲨鱼皮表面盾甲鳞结构，并成功地将复制出来的仿鲨皮进行化学镀银，为日后低成本制作鲨鱼皮金属模具并实现其盾甲鳞结构大面积复制，也为海洋防污和减阻应用奠定基础。
- 详细介绍：
- 一直以来，“鲨鱼皮效应”为人们提供了几近完美的减阻模版，其优异的减阻能力在很大程度上得益于其表皮的三维互锁式盾甲鳞沟槽（也叫V型肋条结构）结构。本作品以性能谱较广、易于成型加工的弹性高分子材料（本发明主要选用液态硅橡胶、聚氨酯）为基材，运用嵌入式-弹性印章法等微复制方法对新鲜鲨鱼表皮的盾甲鳞微结构在高分子材料表面进行复制，制备出不同种类的“仿鲨皮”。经过对比分析，本作品所采用的微复制方法克服了克服了目前国内外研究工作中使用化学方法等对新鲜鲨鱼皮进行预处理时极易出现收缩（收缩率可达27%）、起皱和翘曲的难题，此种仿鲨皮较高精度地复制出真实鲨鱼皮的盾甲鳞减阻结构，且制备成本低廉，绿色无污染；而且，将复制出来的仿生鲨鱼皮膜材进行镀银，并对比不同镀银方法对微结构的影响，这为日后低成本制作鲨鱼皮金属模具并实现其盾甲鳞结构大面积复制，也为海洋防污和减阻应用奠定基础。利用自主研制的阻力（系数）测试仪对比不同仿鲨皮的减阻效果，结果表明弹性基体和微结构复合减阻具有最佳的减阻效果。作为具有减阻功能的“仿鲨皮”，其发展前景可观，在仿生减阻领域具有很大的发展活力，若将这一材料应用于流体（水、气、油）输送设备、船舶、飞机等交通工具，可望大大地降低能耗，产生极大的社会效益和经济效益。其制作也符合我国节能减排、降低资源消耗、保护环境的战略决策，符合可持续的发展理念。
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作品专业信息
设计、发明的目的和基本思路、创新点、技术关键和主要技术指标
- 一、作品设计、发明的目的 一直以来，“鲨鱼皮效应”为人们提供了几近完美的减阻模版。对鲨鱼皮微结构的仿生与应用，国内外科学家进行了各种探索。目前运用最多的复制方法是机械加工和生物成形等方法，所得到的仿鲨皮虽具有一定的减阻作用，但其结构与真实鲨鱼皮仍有较大的差异，且成本较高，鲨鱼皮的化学处理过程对环境也造成一定污染。本发明拟以嵌入式-弹性印章法在高分子表面直接进行微复制，探索大面积制备具有鲨鱼皮表面微结构的仿生高分子减阻膜材的方法，为制造有减阻功能的仿生鲨鱼皮减阻膜材寻找一条新的途径。 二、基本思路及技术关键 本发明运用嵌入式-弹性印章法对新鲜鲨鱼皮表面盾甲鳞结构在弹性高分子材料表面进行直接微复制，整个技术关键在于如何保证复制过程中鲨鱼皮的平整性及控制皮的含水率问题，本方法较高精度地复制出了鲨鱼皮表面的盾甲鳞结构，并成功地将复制出来的仿生鲨鱼皮膜材进行镀银。 三、创新点 1、本发明结合弹性的减阻机理，将材料表面微结构与弹性高分子基体结合成和谐的整体，优化仿鲨鱼皮减阻材料的结构。 2、克服了国内外研究工作中会使用到化学方法等对新鲜鲨鱼皮进行预处理时极易出现收缩、皱缩和翘曲的难题，较高精度地复制出了鲨鱼皮表面的盾甲鳞结构。 四、主要技术指标 （1）本研究的技术成果拟申请国家发明专利1项； （2）本研究的实验和理论分析成果拟在在国内外重要学术刊物发表高水平论文1篇； （3）所研制的仿生减阻功能材料在船模拖曳流水池阻力实验中，对水阻力的减阻达8%以上。
科学性、先进性
- 目前，对鲨鱼表皮的复制与研究的主要方法有：生物约束成型法、机械加工法、复型翻模法和电铸法等，但是以上方法中，主要是对鲨鱼的表皮进行了放大和简化并制造出了仿生鲨鱼皮，或者是要对鲨鱼皮进行前期的化学预处理后才进行微复制，这极易使鲨鱼皮出现收缩、起皱和翘曲等问题，较高精度及大面积复制出鲨鱼皮表面的盾甲鳞结构难度较大。而本发明主要用嵌入式压模法将干燥后的新鲜鲨鱼皮表面直接用液态硅胶复制出来，再用弹性印章法用液态聚氨酯对硅胶模具进行翻模并镀银。本方法克服了使用化学方法等对新鲜鲨鱼皮进行预处理时极易使鲨鱼皮出现收缩、皱缩和翘曲的难题，较高精度地复制出了鲨鱼皮表面的盾甲鳞结构，并成功地将复制出来的仿生鲨鱼皮进行镀银制备金属模具，可将此结构转移到更多弹性高分子表面，从面更好的研究弹性如何与微结构成为减阻的和谐体。方法简便环保，易操作，且所得到的仿生鲨鱼皮与真鲨鱼皮相比，复制精度高。若将这一材料应用于流体（水、气、油）输送设备、船舶、飞机等交通工具，可望大大降低能耗，产生极大的社会效益和经济效益。
获奖情况及鉴定结果
- 2011年4月在第十一届“挑战杯”广东大学生课外学术科技作品竞赛中获二等奖
作品所处阶段
- 实验室阶段
技术转让方式
- 目前产品处于实验室研发阶段，还未提出技术转让方式。
作品可展示的形式
- 实物、图片
使用说明,技术特点和优势,适应范围,推广前景的技术性说明,市场分析,经济效益预测
- 本发明所提出的复制方法工艺可操作性强，成本低，可使用的材料广。主要是将高分子材料运用嵌入式-弹性印章法对新鲜鲨鱼皮表面的盾甲鳞结构直接微复制，克服了目前相关研究工作中要使用化学方法等会在对新鲜鲨鱼皮进行预处理时极易出现收缩、皱缩和翘曲的难题，较高精度地复制出了鲨鱼皮表面的盾甲鳞结构，并成功地其进行镀银，为制作鲨鱼皮金属模具的研究工作打下了坚实的基础。 对于船舶等水下航行器而言，航行中水与船体之间的摩擦阻力占总阻力的70%之多；此外，随着经济的发展和城市化进程的加快，饮用水量每年以两位数递增，在输水过程中，相当部份能量用于克服水与输送管道内壁的摩擦阻力。本作品为具有减阻功能的仿生高分子模材，可应用于流体（水、气、油）输送设备、船舶、飞机等交通工具，通过改善船体或管道内壁与流体接触的表面层的结构，来减少这些摩擦阻力，可望大大地降低能耗，产生极大的社会效益和经济效益。其应用有利于实现节能降耗，符合我国节能减排、降低资源消耗、保护环境的战略决策，对社会的可持续发展具有非凡的意义。
同类课题研究水平概述
- 由于鲨鱼皮具有双重减阻功能（非光滑表面减阻和柔性壁减阻），因此，对其原理进行研究并设计和制备出具有优异减阻功能的仿生材料，并将这一材料应用于流体（水、气、油）输送设备、船舶、飞机等交通工具，可望大大地降低能耗，产生极大的社会效益和经济效益。 国内外学者对鲨鱼皮的结构、减阻原理及对其表面结构仿生与应用进行了大量的研究和探索。研究表明，鲨鱼皮表面的肋条结构能够改变表皮附近层的流体运动状况，抑制和延迟湍流的发生，从而实现减阻。丛茜等利用有限体积法对三角形、扇贝形和刀刃形三种仿生非光滑沟槽表面流场进行了数值计算，分析了三种沟槽非光滑表面的流场特性。刘博等从鲨鱼皮盾甲鳞的结构、形态和功能出发,详细介绍了鲨鱼盾鳞肋条结构减阻相关的流体动力学机理及其仿生材料模型的设计与测试方法,概括了目前肋条结构仿生材料的减阻应用情况,并展望了其未来的发展方向。美国宇航局通过对鲨鱼皮的研究，率先将类似仿鲨鱼皮的肋条结构应用于飞行器和船舶表面以减少阻力。这种肋条减阻原理也成功地应用在美国“星条旗”帆船比赛上。Speedo公司则受到鲨鱼皮的启发，设计了一种可以大大提高运动员游泳速度的泳衣。北京航天空航天大学的张德远教授等也注意到了鲨鱼皮的减阻效应，对鲨鱼皮的复制工艺进行了探索，利用生物约束成形对鲨鱼皮的微观形貌进行了复制。 然而，以往大量的研究主要是根据鲨鱼皮表面肋条结构的减阻原理，通过对表面盾甲鳞沟槽结构进行放大、简化或复制等方法来制取减阻仿生材料，以实现其减阻性能的。而对于如何将材料表面微结构减阻与弹性减阻结合成一个有机的整体，优化仿鲨鱼皮的减阻结构，制备出具有较优异的“鲨鱼皮效应”的减阻材料未进行深入研究。 本发明拓展了目前大面积制备鲨鱼皮盾甲鳞结构的微复制方法，克服了目前相关的研究工作中要使用化学方法等会在对新鲜鲨鱼皮进行预处理时极易出现收缩、皱缩和翘曲的难题，较高精度地复制出了鲨鱼皮表面的盾甲鳞结构，并成功地将复制出来的仿生鲨鱼皮进行镀银，为日后从事制作鲨鱼皮模具的相关工作打下了坚实的基础。目前，该类的研究还未见报道。
