一种仿生鲨鱼盾鳞的减阻结构及制备方法

1.本发明属于仿生减阻技术领域，涉及一种仿生鲨鱼盾鳞的减阻结构及制备方法。


背景技术：

2.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。


技术实现要素：

3.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。
4.为达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：
5.一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；
6.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；
7.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；
8.所述减阻材料基体和减阻微结构均为金属材质。
9.本发明的进一步改进在于：
10.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。
11.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。
12.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。
13.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。
14.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。
15.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。
16.一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。
17.优选的，所述制备过程包括以下步骤：
18.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；
19.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。
20.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。
21.与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
22.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。
23.一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。
附图说明
24.图1为本发明仿生鲨鱼盾鳞减阻结构整体示意图。
25.图2为本发明仿生鲨鱼盾鳞减阻结构整体的侧面示意图。
26.图3为本发明飞秒激光加工的示意图。
27.其中，1为减阻微结构；2为减阻材料基体；3为流体槽；4为迎流面；5为背流面；6为飞秒激光器；7为反射镜；8为空间光调制器；9为扫描振镜；10为金属样品；11为载物台；12为迎流线；13为背流线。
具体实施方式
28.下面结合附图对本发明做进一步详细描述：
29.在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制；术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性；此外，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
30.本发明提供的实施例之一为公开了一种仿生鲨鱼盾鳞结构的减阻微结构1，如图1所示，减阻微结构1设于减阻材料基体2的表面，大面积的阵列在减阻材料基体2上表面，与流体流向垂直方向的相邻减阻微结构1之间构成了流体槽3，所述流体槽3的长度方向平行于流体流动的方向。设定流体流动的方向为前，与前相对的方向为后，流体流动方向的左侧为左，另一侧为右，后续内容均以此方向为基准，不再赘述。
31.参见图1和图2，,所述的减阻微结构1的外形类似拇指形状，结构顶部仿生盾鳞结构的攻角；根据流体在减阻微结构1表面的流向分为迎流面4和背流面5，迎流面4和背流面均为弧面，且弯曲方向相同，迎流面4和背流面5的上端一体连接，迎流面4的底端和背流面5的底端均与减阻材料基体2的表面连接，迎流面4和流体的流向相对设置；设定迎流面4在流体流动方向截面的弧线为迎流线12，设定背流面5在流体流动方向截面的弧线为背流线13，迎流线12的弧度大于背流线13的弧度，迎流线12和背流线13的弯曲方向相同，迎流线12的长度大于背流线13的长度，使得所述减阻微结构迎流面4和背流面5构成的截面呈帆船帆的形状。
32.优选的，所述的减阻微结构1的高度尺寸在400-500微米之间，前后厚度的尺寸为150-200微米之间，减阻微结构的前后距离尺寸是100-150微米之间，左右减阻微结构距离尺寸在200-250微米之间。
33.优选的，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的表面；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。
34.所述的流体槽3的方向与流体流向一致，一部分的流体也可以沿着流体槽3向前流动，所述的流体槽3的宽度为100-150微米之间，深度与所形成的流体槽3的减阻微结构1高度一致，在400-500微米之间。
35.本发明的实施例之一为公开了一种用于制备仿生鲨鱼盾鳞结构的装置，参见图3，该装置包括飞秒激光器6，飞秒激光器6在其发射的光路上设置有两个反射镜7，通过第一个反射镜7，使得光路输入至空间光调制器8中，从空间光调制器8输出的光路通过第二个反射镜7输入至扫描振镜9，扫描振镜9通过支撑柱设置在基板上，基板上还设置有载物台11，载物台11上用于放置金属样品10，金属样品10在扫描振镜9的镜片下方。
36.本发明的实施例之一为公开了一种仿生鲨鱼盾鳞减阻微结构的制备方法为，是一种基于空间光调制的飞秒激光制备仿生鲨鱼盾鳞结构的方法，具体步骤如下：
37.1)对金属样品10表面分别用丙酮和无水酒精进行超声波清洗，利用冷风吹干得到干净的样品表面；
38.2)搭建飞秒激光加工光路，光路包括飞秒激光器6，飞秒激光器6输出光经过反射
镜7后进入空间光调制器8，通过空间整形后的光经过扫描振镜9后照射在载物台上11，飞秒激光器6、空间光调制器8、扫描振镜9均与电脑连接；
39.3)将金属样品10固定在移动载物台11加工工位上；
40.4)利用电脑控制扫描振镜9实现激光光斑移动加工仿生鲨鱼盾鳞减阻微结构。激光加工过程中不同的激光功率、透镜的大小、激光参数均根据要加工的目标形状进行实时调整。
41.现有的利用飞秒激光加工微纳结构，通过改变加工的参数，比如功率大小，激光光斑尺寸等，可以加工出不同形状的微纳结构。但是这种弯曲结构，正常的飞秒加工无法加工出来。本发明在飞秒激光光路中增加了空间光调制器8，改变了光强的分布，通过调控空间光调制器，就可以实现弯曲结构的加工。
42.以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

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)；所述减阻微结构(1)的前侧面为背流面(5)，后侧面为迎流面(4)，所述迎流面(4)和流体流动方向相对，所述背流面(5)和迎流面(4)均为弧面；所述背流面(5)和迎流面(4)的上端一体连接，所述背流面(5)的底部和减阻材料基体(2)一体连接，所述迎流面(4)的底部和减阻材料基体(2)一体连接；所述迎流面(4)在流体流动方向截面的弧线为迎流线，所述背流面(5)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；所述减阻材料基体(2)和减阻微结构(1)均为金属材质。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：步骤1，搭建飞秒激光光路，将金属样品(10)固定设置在移动载物台(11)上；所述飞秒激光光路包括飞秒激光器(6)，飞秒激光器(6)发出的激光通过空间光调制器(8)发送至扫描振镜(9)中；步骤2，通过电脑控制扫描振镜(9)，移动激光光斑加工金属样品(10)，获得减阻材料基体(2)及设置在减阻材料基体(2)上的减阻微结构。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。性能。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：2022.12.30
技术公布日：2023/4/25