一种仿生鲨鱼盾鳞的减阻结构及制备方法

本发明属于仿生减阻，涉及一种仿生鲨鱼盾鳞的减阻结构及制备方法。

背景技术：

1、减少飞行器、轮船等表面的摩擦阻力是其节能降耗、增加航时和航程的重要突破口，已被美国nasa列为未来突破航空航海技术瓶颈的难点之一。研究发现鲨鱼体表覆盖着一层独特的盾鳞，这种结构能够优化鲨鱼体表流体边界层的流体结构，抑制和延迟紊流的发生，从而有效地减小水体阻力获得极高的游速。鲨鱼表皮盾鳞减阻微结构的发现，为仿生制备微结构减少材料表面摩擦阻力提供了灵感。目前的研究大多是将鲨鱼盾鳞结构简化成沟槽结构，在材料表面制备截面为三角形，矩形，半圆形，梯形等形状的减阻沟槽实现材料表面减阻。专利cn105644770b就提出了仿生鲨鱼皮的减阻机翼，在机翼蒙皮层上加工出槽型肋条结构减少飞机阻力的方法。但是简单的沟槽结构不能够完全反映鲨鱼皮盾鳞结构真实的减阻原理。因此，仿生盾鳞结构获得较逼真的仿生鲨鱼皮是进一步提高表面减阻性能的有效手段。目前，仿真盾鳞结构直接复制的各种方法如微热压印法、微塑铸法等，均采用的是高聚物材料，未能实现盾鳞仿生表面结构复制从非金属材料到金属材料的转变。因此，如何在金属材料表面逼真的仿生制备出鲨鱼盾鳞结构，实现金属材料表面盾鳞减阻结构的制备成为亟需解决的难题。

技术实现思路

1、本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供一种仿生鲨鱼盾鳞的减阻结构及制备方法，以解决现有技术中仿生盾鳞结构难以逼真模仿鲨鱼皮，以及仿生盾鳞结构不是金属材料的问题。

2、为达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：

3、一种仿生鲨鱼盾鳞的减阻结构，包括减阻材料基体，所述减阻材料基体沿长度方向和宽度方向均阵列有减阻微结构；

4、所述减阻微结构的前侧面为背流面，后侧面为迎流面，所述迎流面和流体流动方向相对，所述背流面和迎流面均为弧面；所述背流面和迎流面的上端一体连接，所述背流面的底部和减阻材料基体一体连接，所述迎流面的底部和减阻材料基体一体连接；

5、所述迎流面在流体流动方向截面的弧线为迎流线，所述背流面在流体流动方向截面的弧线为背流线；同一流体流动方向截面上，迎流线的弧度大于背流线的弧度；

6、所述减阻材料基体和减阻微结构均为金属材质。

7、本发明的进一步改进在于：

8、优选的，相邻的减阻微结构之间为流体槽，流体槽的长度方向平行于流体流动方向。

9、优选的，所述流体槽的宽度为100-150μm，所述流体槽的高度为400-500μm。

10、优选的，所述迎流面和减阻材料基体接触处，迎流面的切面垂直于减阻材料基体的表面。

11、优选的，所述背流面和减阻材料基体接触处，背流面的切面垂直于减阻材料基体的表面。

12、优选的，所述减阻微结构的高度为400-500μm，厚度为150-200μm，宽度为200-250μm。

13、优选的，所述沿流体流动的方向，相邻减阻微结构之间的距离为100-150μm。

14、一种上述的仿生鲨鱼盾鳞的减阻结构的制备方法，通过飞秒激光加工金属样品，制备出减阻材料基体及在减阻材料基体上的减阻微结构。

15、优选的，所述制备过程包括以下步骤：

16、步骤1，搭建飞秒激光光路，将金属样品固定设置在移动载物台上；所述飞秒激光光路包括飞秒激光器，飞秒激光器发出的激光通过空间光调制器发送至扫描振镜中；

17、步骤2，通过电脑控制扫描振镜，移动激光光斑加工金属样品，获得减阻材料基体及设置在减阻材料基体上的减阻微结构。

18、优选的，所述飞秒激光器和空间光调制器之间设置有反射镜；所述空间光调制器和扫描振镜之间设置有反射镜。

19、与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

20、本发明提出了一种仿生鲨鱼盾鳞的减阻结构，从外形和尺寸上更加逼近鲨鱼的盾鳞结构，实现了金属材料表面仿生盾鳞结构的制备，该仿生盾鳞减阻结构不但实现了盾鳞结构之间的沟槽减阻，而且还仿真了盾鳞结构的攻角减阻，可以进一步提高表面减阻性能。本发明的鲨鱼盾鳞结构的减阻性能不仅取决于鲨鱼皮表面阵列盾鳞结构之间的沟槽，而且还与盾鳞结构本身的攻角有关系。逼真的仿生出鲨鱼表面盾鳞结构的减阻功能特征，实现金属材料表面仿生盾鳞减阻结构的制备。

21、一种仿生鲨鱼盾鳞的减阻结构的制备方法，该方法搭建飞秒激光加工光路，利用空间光调制器对飞秒激光光束进行整形，可以实现金属材料表面倾斜弯曲微结构大面积加工，获得带有一定曲率和深度的微结构。在金属材料表面加工带有一定曲率和深度的减阻微结构，从外形和尺寸上更加逼近鲨鱼的盾鳞结构，实现了金属材料表面仿生盾鳞结构的制备，该仿生盾鳞减阻结构不但实现了盾鳞结构之间的沟槽减阻，而且还仿真了盾鳞结构的攻角减阻，可以进一步提高表面减阻性能。

技术特征：

1.一种仿生鲨鱼盾鳞的减阻结构，其特征在于，包括减阻材料基体(2)，所述减阻材料基体(2)沿长度方向和宽度方向均阵列有减阻微结构(1)；

2.根据权利要求1所述的一种仿生鲨鱼盾鳞的减阻结构，其特征在于，相邻的减阻微结构(1)之间为流体槽(3)，流体槽(3)的长度方向平行于流体流动方向。

3.根据权利要求2所述的一种仿生鲨鱼盾鳞的减阻结构，其特征在于，所述流体槽(3)的宽度为100-150μm，所述流体槽(3)的高度为400-500μm。

4.根据权利要求1所述的一种仿生鲨鱼盾鳞的减阻结构，其特征在于，所述迎流面(4)和减阻材料基体(2)接触处，迎流面(4)的切面垂直于减阻材料基体(2)的表面。

5.根据权利要求1所述的一种仿生鲨鱼盾鳞的减阻结构，其特征在于，所述背流面(5)和减阻材料基体(2)接触处，背流面(5)的切面垂直于减阻材料基体(2)的表面。

6.根据权利要求1所述的一种仿生鲨鱼盾鳞的减阻结构，其特征在于，所述减阻微结构(1)的高度为400-500μm，厚度为150-200μm，宽度为200-250μm。

7.根据权利要求1所述的一种仿生鲨鱼盾鳞的减阻结构，其特征在于，所述沿流体流动的方向，相邻减阻微结构(1)之间的距离为100-150μm。

8.一种权利要求1所述的仿生鲨鱼盾鳞的减阻结构的制备方法，其特征在于，通过飞秒激光加工金属样品(10)，制备出减阻材料基体(2)及在减阻材料基体(2)上的减阻微结构。

9.根据权利要求8所述的一种仿仿生鲨鱼盾鳞的减阻结构的制备方法，其特征在于，所述制备过程包括以下步骤：

10.根据权利要求9所述的一种仿仿生鲨鱼盾鳞的减阻结构的制备方法，其特征在于，所述飞秒激光器(6)和空间光调制器(8)之间设置有反射镜(7)；所述空间光调制器(8)和扫描振镜(9)之间设置有反射镜(7)。

技术总结
一种仿生鲨鱼盾鳞的减阻结构及制备方法，该方法搭建飞秒激光加工光路，利用空间光调制器对飞秒激光光束进行整形，可以实现金属材料表面倾斜弯曲微结构大面积加工，获得带有一定曲率和深度的微结构。在金属材料表面加工带有一定曲率和深度的减阻微结构，从外形和尺寸上更加逼近鲨鱼的盾鳞结构，实现了金属材料表面仿生盾鳞结构的制备，该仿生盾鳞减阻结构不但实现了盾鳞结构之间的沟槽减阻，而且还仿真了盾鳞结构的攻角减阻，可以进一步提高表面减阻性能。

技术研发人员：陈同,王崴,瞿珏,党思娜,刘海平,李杰,王庆力,邱昂
受保护的技术使用者：中国人民解放军空军工程大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/11