[發明專利]基于鯊魚皮表面和基體結構的仿生減阻膜材及其制備方法

無效

• 申請號: 201010532238.0
• 申請日: 2010-10-30
• 公開（公告）號: CN102145567A
• 公開（公告）日: 2011-08-10
• 發明（設計）人: 蒲俠;李光吉;劉云鴻
• 申請（專利權）人: 華南理工大學
• 主分類號: B32B37/00
• 分類號: B32B37/00;B32B38/06;B32B25/00;B29C35/00;C08L7/00;C08L23/16;C08L51/06;C08K13/02
• 代理公司: 廣州市華學知識產權代理有限公司 44245
• 代理人: 李衛東

技術領域

本發明涉及減阻材料，特別是涉及一種以鯊魚皮為減阻模板的仿生減阻膜材。

背景技術

在自然界中，相對運動的物體之間不可避免地存在著摩擦阻力。有資料表明，一般的船舶在運動時，表面摩擦阻力約占總阻力的70～80％。就船舶和其它水下運動物體(如潛艇、魚雷等)的表面減阻而言，人類已進行了長期不懈的努力，并從對游得最快的海洋生物鯊魚、海豚的觀察與研究中得到了很多啟示。海洋中的速度之王-鯊魚不僅具有完美的流線體形，使其游動時的形狀阻力最少；其皮膚表面粗糙的微結構——三維互鎖的盾甲鱗溝槽結構，也叫肋條(riblet)結構，對減阻也有較大的貢獻。關于鯊魚皮表面盾甲鱗溝槽結構的仿生與應用，國內外科學家們進行了大量的探索，取得了一些令人振奮的研究成果。例如，SPEEDO公司研制的“快皮”(FASTSKIN)仿鯊魚皮泳衣在2000年悉尼奧運會上創造了奇跡，這種泳衣面料狀似鯊魚皮膚，其表面布滿齒狀V形凹槽，用這種材料制成的泳衣更加貼身，可使游泳者所受的總阻力減少4％。美國宇航局將類似鯊魚皮的肋條結構應用于飛行器的表面以減少阻力，飛機的飛行阻力減少了6.6％。近幾十年來，人們關于鯊魚皮膚減阻的研究，主要集中于其表面堅硬的溝槽型非光滑表面-盾甲鱗結構。結合前人對海豚高速游動時其彈性皮膚發生的形貌變化及其作用以及柔性壁的減阻機理，鯊魚的彈性皮膚也對其高速的游動有一定的貢獻。根據生物的進化理論和規律，鯊魚在自然界中經過長期的進化，其皮膚結構對于減阻的作用已進化到了近乎完美的程度。因此，如何將材料表面微結構與彈性基體結合成一個和諧的整體，優化仿鯊魚皮減阻材料的結構，是一個需要探索的、值得深入研究的問題。正是基于這一認識，本發明以鯊魚皮為減阻模板，在弄清鯊魚皮基體(表皮與皮下組織)的結構和力學性能特點以及鯊魚皮表面微結構的基礎上，根據雙重減阻(非光滑表面減阻和柔性壁減阻)原理對材料進行仿生設計。通過選擇適宜的高分子材料為基質，將材料的力學性能模擬與表面微復制方法相結合，以制備能夠實現鯊魚皮雙重減阻效應的仿生減阻功能材料，開拓了將材料表面微結構與高分子膜材的基體結合成一個完整、和諧的仿生減阻材料體系的新途徑。

發明內容

本發明的目的在于：提供一種具有非光滑表面減阻和柔性壁減阻效應的仿鯊魚皮的減阻功能膜材及其制備方法。

本發明仿生減阻膜材具有與真實鯊魚皮相似的結構及力學性能，能夠表現出類似鯊魚皮的雙重減阻效應，是一種新型的仿生減阻功能材料。突破了以往僅通過表面盾甲鱗溝槽結構的復制來設計和制備仿生減阻材料的局限性，將表面微復制技術與材料基體的力學性能仿生相結合，使所制備的仿生減阻膜材的基體和表面分別體現了鯊魚皮基體的力學特性和表面的盾甲鱗溝槽結構，實現了鯊魚皮的雙重減阻效應，開拓了將材料表面微結構與高分子膜材的基體結合成一個完整、和諧的材料體系的新途徑。本發明仿生減阻膜材的基體具有鯊魚皮基體的力學特性，其表面構建有鯊魚皮表面的盾甲鱗溝槽結構，可表現出鯊魚皮的雙重減阻效應。

本發明的目的通過如下技術方案實現：

一種基于鯊魚皮表面和基體結構的仿生減阻膜材的制備方法，包括以下步驟：

(1)彈性表層的制備：以天然橡膠和三元乙丙橡膠作為高分子材料基體，分別加入橡膠助劑制備天然橡膠母煉膠和三元乙丙橡膠母煉膠，將兩種母煉膠中的任一種或兩者共混，作為彈性表層基材；以質量份數計，天然橡膠母煉膠的配方組成為：天然橡膠100份、輕質碳酸鈣20～40份、硫磺1～2份、促進劑N-環已基-2-苯駢噻唑次磺酰胺CZ0.5～1份、促進劑二甲胺磺酰吩噻嗪DM?0.8～1份、ZnO?5份、硬酯酸1～2份和硅烷偶聯劑1～3份；三元乙丙橡膠母煉膠的配方組成為：三元乙丙橡膠100份、SiO₂20～40份、ZnO?5份、硬酯酸1～2份、防老劑9111.5份、促進劑N-環已基-2-苯駢噻唑次磺酰胺1～1.5份、過氧化二異丙苯DCP?1～1.5份、促進劑DM?1～2份；