[發(fā)明專利]一種具備減阻特性的梭形仿生微結構

在審

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• 申請日: 2017-12-29
• 公開（公告）號: CN108358154A
• 公開（公告）日: 2018-08-03
• 發(fā)明（設計）人: 苑偉政;何洋;呂湘連;盧宇超;劉謙;王圣坤
• 申請（專利權）人: 西北工業(yè)大學
• 主分類號: B81B1/00
• 分類號: B81B1/00
• 代理公司: 西北工業(yè)大學專利中心 61204
• 代理人: 陳星

本發(fā)明公開了一種具備減阻特性的梭形仿生微結構，屬于微結構功能材料領域。該結構包括：(a)梭形結構層，(b)基底材料層，若干梭形結構體以一定的排布規(guī)則布置于基底材料上，形成所述的梭形結構層。所述梭形結構體的一端為尖角，另一端為圓弧曲面，每個尖角與圓弧曲面以平滑曲面連接，各梭形結構體的尖角端沖朝向同一方向。本發(fā)明提出的基于高山箭竹葉表層微觀結構的梭形微結構可顯著減小表面摩擦阻力，有效改善固流接觸層的氣動性能,可廣泛應用于現(xiàn)代工程領域。

技術領域

本發(fā)明涉及微結構功能材料領域，具體而言，就是提供了一種具備減阻特性的仿高山箭竹葉梭形微結構。

背景技術

快速、高性能成為現(xiàn)代科技發(fā)展的必然要求，同時，隨著現(xiàn)代社會的發(fā)展和生態(tài)文明建設的推進，綠色、節(jié)能、可持續(xù)的發(fā)展理念日漸成為人類社會發(fā)展的主旋律。資料顯示，對于船舶、飛機等交通工具而言，最大的能耗是克服其與流體介質摩擦所帶來的阻力；流體傳輸中有相當一部分的能量損耗于克服流體與傳輸設備之間的摩擦阻力。據(jù)統(tǒng)計，船舶行駛時表面摩擦阻力約占總阻力的70％-80％；民用飛機飛行時表面摩擦阻力占總阻力的50％左右。表面摩擦阻力成為限制設備性能的最主要的因素之一，同時也成為能源損耗的罪魁禍首。設法減小物體表面與流體之間的摩擦阻力對于提高設備性能、實現(xiàn)節(jié)能減排、提高資源利用率具有重要的工程應用價值，對推進生態(tài)文明建設以及人類社會的可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。

物體與流體之間發(fā)生相對運動時，會形成興波阻力、壓差阻力和摩擦阻力等三種阻力。前兩者由物體外形引起，可通過優(yōu)化外形結構來改善，且此方面的研究已日臻完善；而摩擦阻力源于物體表面與周圍流體之間的相互作用，可通過物體表面層的結構和性能改良以及表面微結構調控來改善，不過由于其過程的復雜性，相關研究還不是很成熟。摩擦阻力的影響因素有三個方面，一是物體表面層結構和性能，以及物體表面的化學和物理特性；二是流體的密度、粘度等屬性；三是物體表面和流體的相對運動狀態(tài)，包括相對運動速度和邊界層狀態(tài)。減小表面摩擦阻力的主要解決方式包括減阻劑減阻、微氣泡減阻、低表面能涂層減阻、非光滑表面減阻以及柔性壁減阻等。近些年，受到鯊魚皮膚表面微觀結構的啟示，很多科學家對此展開了大量的研究，基于鯊魚皮膚表層微觀結構制備的非光滑表面減阻材料也已經(jīng)獲得了廣泛的工程應用。將基于仿生的物體表面微觀結構設計應用于表面減阻研究將為減阻研究研究提供新的研究思路和方法。基于鯊魚皮膚表層微觀結構制備并成功應用的啟示，高山箭竹葉梭形結構體流線排布的肋結構表面作為一種減阻效果更為優(yōu)秀的微結構表面受到了我們關注。高山箭竹是一種分布在海拔2200到3000米之間的常綠竹類植物，生長環(huán)境惡劣，高海拔、氣溫低、多強風，我們觀察到高山箭竹葉表面具有特殊的復合微觀結構，該復合微觀結構中的梭形結構對于箭竹防風減阻具有重要作用。通過深入的研究，我們發(fā)現(xiàn)該微結構表面具有與鯊魚皮膚表層微結構不同的減阻機理，同時具備較鯊魚皮膚而言更加顯著的減阻特性。

基于以上的討論，我們提出了一種基于高山箭竹葉表層微觀結構的梭形微結構表面層材料，該材料具備優(yōu)秀的減阻特性，可廣泛應用于現(xiàn)代工程領域。

發(fā)明內容

本發(fā)明針對工程應用中的減阻需求提供了一種仿高山箭竹葉梭形微結構。

本發(fā)明提供的具備減阻特性的梭形仿生微結構，包括：(a)梭形結構層，(b)基底材料層，若干梭形結構體以一定的排布規(guī)則布置于基底材料上，形成所述的梭形結構層。

所述梭形結構體的一端為尖角，另一端為圓弧曲面，每個尖角與圓弧曲面以平滑曲面連接，其內部為實體或空腔結構；梭形結構體長度范圍在20到60微米，寬度范圍在10到30微米，高度范圍在10到30微米。

所述的排布規(guī)則為：梭形結構體以一定的間隔按照流線形沿基底材料表面排布，同一流線上梭形結構體間距范圍為40到80微米，相鄰流線間距范圍在百微米尺寸，相鄰流線上梭形結構體相對排列或交錯排列；各梭形結構體的尖角端沖朝向同一方向；