专利名称：仿鲨鱼复合减阻装置的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及仿生技术领域，具体涉及一种减阻装置。
背景技术：
鲨鱼是海洋中的游泳健将，其在水中的巡游速度约为5kph，在追捕猎物时可瞬时爆发到70kph。鲨鱼的高游速除了与其标准的流线型形体有关外，还与其特殊的微米级鳞片沟槽结构以及它体表分泌的粘液关系密切，两者的复合作用称为“鲨鱼皮效应”。当前，模仿鲨鱼表皮减阻机理、制造高逼真仿鲨鱼复合减阻表面已成为国内外研究的热点，在水下航行器和长输管道减阻领域具有重要的应用价值。利用减阻剂减阻是一种高效的减阻方法，广泛应用于水下航行器表面或长距离输送管道(输油、气、水等)内壁面的流体减阻。常用的减阻剂主要有聚丙烯酰胺(PAM)和水性环氧树脂等，尽管减阻效能高，但价格通常较为昂贵。利用减阻剂减阻与利用沟槽等结构型减阻方法相比，具有减阻效率高(减阻效率通常在15%以上)、便于实施等优势。该减阻方法的实施目前主要采用在航行器表面或长输管道内壁面直接释放或涂覆减阻剂的方式， 往往使得大量的减阻剂不能有效作用于湍流有效区，存在减阻剂消耗快、用量大、浪费严重、需不断补充等不足，因而使用和维护成本相对较高。另外，硅藻土是硅藻的古代残骸沉积物生成的硅质沉积岩，主要由古代硅藻及其它微生物(放射虫、海绵等)的硅质遗骸组成，主要化学成份是二氧化硅。硅藻土在自然界中作为矿产大量存在，因而来源广泛、价格低廉。由于硅藻土具有细腻、质轻、孔隙度大、吸附性和渗透性强、化学性质稳定、耐磨、耐热、有一定强度等特点，是一种具有重要应用价值的材料。
实用新型内容本实用新型的目的在于，提供一种仿鲨鱼复合减阻装置，以解决上述技术问题。本实用新型所解决的技术问题可以采用以下技术方案来实现仿鲨鱼复合减阻装置，其特征在于，包括一硅藻土固化层，所述硅藻土固化层内设有至少两个纳米微孔结构，所述硅藻土固化层内的纳米微孔结构中设有减阻剂。本实用新型通过硅藻土固化工艺，将硅藻土固化成硅藻土固化层后，其固化强度在15MPa 40MPa，孔隙度在40^-70 ^其固化后能保留多孔结构，所制得的硅藻土固化层具有较大的孔体积、较强的吸附性和缓释性。将硅藻土固化层浸入减阻剂水溶液后，硅藻土固化层内的纳米微孔结构中充满减阻剂。本实用新型利用硅藻土固化表面来吸附和缓释减阻剂，不仅能有效提高减阻剂的附着力和容持量，还能达到缓慢释放减阻剂以使其全部作用于湍流有效区的目的，因而具有提高减阻剂利用效能、减少减阻剂用量、降低使用和维护成本等优势。所述硅藻土固化层的外表面采用一鳞片型结构表面。鳞片型结构使硅藻土固化层表面更为粗糙，可以减少水、灰尘等物质的附着，使硅藻土固化层外表面具有更好的减阻效[0010]所述硅藻土固化层的外表面优选采用鲨鱼皮结构表面。所述硅藻土固化层采用硅藻土制成的人工仿鲨鱼皮层，所述人工仿鲨鱼皮层内设有所述纳米微孔结构，所述纳米微孔结构中设有所述减阻剂。本实用新型不仅具有高逼真微米级仿鲨鱼鳞片沟槽形貌，能够发挥仿鲨鱼鳞片沟槽的减阻功能，而且还具有硅藻壳体的纳米级多孔微结构，能够同时发挥仿鲨鱼缓释自润滑粘液的减阻功能。从而实现提高水下航行器和长距离油气输送管道减阻能力的目的。有益效果由于采用上述技术方案，本实用新型不仅能够发挥仿鲨鱼鳞片沟槽的减阻功能，而且还能够同时发挥仿鲨鱼缓释自润滑粘液的减阻功能。
图1为本实用新型的部分放大示意图；图2为本实用新型的部分横截面放大示意图。
具体实施方式
为了使本实用新型实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体图示进一步阐述本实用新型。参照图1、图2，仿鲨鱼复合减阻装置，包括一硅藻土固化层1，硅藻土固化层1内设有至少两个纳米微孔结构11，纳米微孔结构11均勻的设置在硅藻土固化层1中。硅藻土固化层1内的纳米微孔结构中设有减阻剂。本实用新型通过硅藻土固化工艺，将硅藻土固化成硅藻土固化层1后，其固化强度在15ΜΙ^ 40MPa，孔隙度在40% 70%。其固化后能保留多孔结构，所制得的硅藻土固化层1具有较大的孔体积、较强的吸附性和缓释性。将硅藻土固化层1浸入减阻剂水溶液后，硅藻土固化层1内的纳米微孔结构中充满减阻剂。本实用新型利用硅藻土固化表面来吸附和缓释减阻剂，不仅能有效提高减阻剂的附着力和容持量，还能达到缓慢释放减阻剂以使其全部作用于湍流有效区的目的，因而具有提高减阻剂利用效能、减少减阻剂用量、降低使用和维护成本等优势。硅藻土固化层1的外表面采用一鳞片型结构表面2。鳞片型结构使硅藻土固化层1 表面更为粗糙，可以减少水、灰尘等物质的附着，使硅藻土固化层1外表面具有更好的减阻效果。硅藻土固化层1的外表面优选采用鲨鱼皮结构表面。硅藻土固化层1采用硅藻土制成的人工仿鲨鱼皮层，人工仿鲨鱼皮层内设有纳米微孔结构，纳米微孔结构中设有减阻剂。 本实用新型不仅具有高逼真微米级仿鲨鱼鳞片沟槽形貌，能够发挥仿鲨鱼鳞片沟槽的减阻功能，而且还具有硅藻壳体的纳米级多孔微结构，能够同时发挥仿鲨鱼缓释自润滑粘液的减阻功能。从而实现提高水下航行器和长距离油气输送管道减阻能力的目的。本实用新型硅藻土固化层(表面)的制作工艺可以采用热压键合硅藻土的方式进行制作第一步，硅藻土预处理，得到硅藻土混合物。硅藻土预处理工艺可以采用常用的预处理方法，也可以采用如下硅藻土预处理步骤(A)室温条件下，将硅藻土在质量百分比浓度为1. 5% 3. 5%的HF溶液中浸泡处理;3min 5min，然后使用5 μ m 20 μ m的滤布进行过滤，得到第一硅藻土混合物。(B)将第一硅藻土混合物在温度为80°C 90°C条件下，在NH4、H202、H20混合液(1:2:7)中浸泡处理IOmin 20min，然后使用5 μ m 20 μ m 的滤布进行过滤，得到第二硅藻土混合物。(C)将第二硅藻土混合物在室温条件下加入去离子水，在功率为800W 1200W、工作频率为30KHz 50KHz的条件下，超声清洗IOmin 20min,然后使用5 μ m 20 μ m的滤布进行过滤，得到第三硅藻土混合物。第二步，硅藻土滤筛(A)将第一步制得的硅藻土混合物在室温条件下加入去离子水，然后使用30 μ m 40 μ m的滤布进行过滤，滤掉粒径在30 μ m以上的硅藻土混合物。 (B)将余下的硅藻土混合物在室温条件下用N2吹干，得到第四硅藻土混合物。第三步，硅藻土酸蚀处理室温条件下，将第二步得到的第四硅藻土混合物加入到质量百分比浓度为10% 20%的HF溶液中酸蚀处理IOmin 20min，然后使用5μπι 20 μ m的滤布进行过滤，得到第五硅藻土混合物。第四步，高逼真仿鲨鱼鳞片沟槽形貌复制成型(A)采用生物表皮复制模板的复制方法复制出金属材质为镍、厚度为2. 5mm 3. 5mm的镍质仿鲨鱼鳞片沟槽阴模板。(B)将镍质仿鲨鱼鳞片沟槽阴模板在室温条件下放入去离子水中，在功率为800W 1200W、工作频率为30KHz 50KHz的条件下超声清洗IOmin 20min，然后烘干待用。生物表皮复制模板的复制方法可以采用现有的方法得到复制模板。第五步，仿鲨鱼鳞片沟槽形貌约束下的硅藻土热压固化直接成型(A)将第三步制得的第五硅藻土混合物均勻放入热压模具内，并将热压模具置于热压固化约束成型装置内的电加热基座上。热压模具采用铅制成。根据要制作的仿鲨鱼复合减阻表面的形状不同， 如平板状或圆管状，可根据需要任意更换该热压模具。(B)将第四步制得的镍质仿鲨鱼鳞片沟槽阴模板的有鳞面朝下盖在热压模具内的第五硅藻土混合物上，然后在镍质仿鲨鱼鳞片沟槽阴模板背面再压上均压沙袋。(C)将电加热基座升温至415°C 650°C，并在此温度范围内保持恒温。(D)在均压沙袋上施加压力500 7001tfa进行热压键合证 10h，然后进行脱模。(E)室温条件下将脱模后的硅藻土固化表面浸入去离子水中，在功率为800W 1200W、工作频率为30KHz 50KHz的条件下超声清洗IOmin 20min，然后用N2吹干，即得到具有高逼真仿鲨鱼鳞片沟槽形貌的硅藻土固化表面。为便于脱模，第五步中，事先在热压模具内表面均勻涂敷薄薄的一层质量百分比浓度为80%的氮化硼水溶液。事先在镍质仿鲨鱼鳞片沟槽阴模板的有鳞面上均勻涂敷薄薄的一层质量百分比浓度为80%的氮化硼水溶液。第六步，硅藻土固化表面吸附缓释减阻剂(A)室温条件下，将第五步制得的硅藻土固化表面浸入去离子水中，在功率为800W 1200W、工作频率为30KHz 50KHz的条件下超声清洗IOmin 20min，然后用N2吹干。(B)制备减阻剂水溶液，采用的减阻剂水溶液优选为聚丙烯酰胺(PAM)减阻剂水溶液。聚丙烯酰胺减阻剂水溶液的制备方法如下室温条件下，在去离子水中，边搅拌边慢慢加入聚丙烯酰胺(PAM)粉体颗粒，配制质量百分比浓度为2%的聚丙烯酰胺减阻剂水溶液。(C)将干燥后的硅藻土固化表面完全浸入减阻剂水溶液，然后置于真空干燥箱内进行脱气处理IOmin 20min，然后取出，便制得仿鲨鱼复合减阻表面。本实用新型硅藻土固化层(表面)的制作工艺可以采用高温烧结硅藻土的方式进行制作第一步，硅藻土预处理工艺，制得硅藻土混合物。硅藻土预处理工艺可以采用常用的预处理方法，也可以采用如下硅藻土预处理步骤(A)室温条件下，将硅藻土在质量百分比浓度为1. 5% 3. 5%的HF溶液中浸泡处理;3min 5min，然后使用5μπι 20μπι的滤布进行过滤，得到第一硅藻土混合物。(B)将第一硅藻土混合物在温度为80°C 90°C条件下， 在NH4、H202、H20混合液(1:2:7)中浸泡处理IOmin 20min，然后使用5 μ m 20 μ m 的滤布进行过滤，得到第二硅藻土混合物。(C)将第二硅藻土混合物在室温条件下加入去离子水，在功率为800W 1200W、工作频率为30KHz 50KHz的条件下，超声清洗IOmin 20min,然后使用5 μ m 20 μ m的滤布进行过滤，得到第三硅藻土混合物。第二步，硅藻土滤筛工艺，制得硅藻土混合物。硅藻土滤筛工艺可以采用常用的滤筛方法，也可以采用如下步骤将第一步制得的硅藻土混合物在室温条件下加入去离子水， 然后使用30 μ m 40 μ m的滤布进行过滤，滤掉粒径在30 μ m以上的硅藻土混合物，得到第四硅藻土混合物。第三步，硅藻土湿坯制作工艺，可以采用常用的湿坯制作方法，也可以采用如下步骤(A)室温条件下，将第二步得到的硅藻土混合物加入去离子水，配制固含量为50% 70%的硅藻土泥浆，然后陈腐Id。(B)在一定形状的模具中采用注浆成型工艺制作出硅藻土湿坯。模具可以根据要制作的硅藻土固化表面的形状不同，如平板状或圆管状，可任意更换模具。(C)室温条件下对硅藻土湿坯进行初步的自然风干，含水率控制在60% 80%。第四步高逼真仿鲨鱼鳞片沟槽形貌复制成型(A)采用生物表皮复制模板的复制方法复制出金属材质为镍、厚度为2. 5mm 3. 5mm的镍质仿鲨鱼鳞片沟槽阴模板。(B)将镍质仿鲨鱼鳞片沟槽阴模板在室温条件下放入去离子水中，在功率为800W 1200W、工作频率为30KHz 50KHz的条件下超声清洗IOmin 20min，然后烘干待用。生物表皮复制模板的复制方法可以采用现有的方法得到复制模板。第五步，仿鲨鱼鳞片沟槽形貌约束下的硅藻土烧结固化直接成型(A)将第四步制得的镍质仿鲨鱼鳞片沟槽阴模板的有鳞面朝上置于高温烧结炉内的烧结炉基座上，然后将3)制得的硅藻土湿坯模具放置在镍质仿鲨鱼鳞片沟槽阴模板上方，且模具内的硅藻土湿坯倒扣在镍质仿鲨鱼鳞片沟槽阴模板的有鳞面上。(B)在1050°C 1150°C温度范围内进行恒温烧结处理1. 5h 2. 5h，缓慢降至室温后进行脱模，即得到硅藻土固化表面。为便于脱模，事先在模具内表面均勻涂敷薄薄的一层质量百分比浓度为80%的氮化硼水溶液。 为便于脱模，事先在镍质仿鲨鱼鳞片沟槽阴模板的有鳞面上均勻涂敷薄薄的一层质量百分比浓度为80%的氮化硼水溶液。(C)室温条件下将脱模后的硅藻土固化表面浸入去离子水中，在功率为800W 1200W、工作频率为30KHz 50KHz的条件下超声清洗IOmin 20min， 然后用N2吹干，即得到具有高逼真仿鲨鱼鳞片沟槽形貌的硅藻土固化表面。第六步，硅藻土固化表面吸附缓释减阻剂(A)室温条件下，将第五步制得的硅藻土固化表面浸入去离子水中，在功率为800W 1200W、工作频率为30KHz 50KHz的条件下超声清洗IOmin 20min，然后用N2吹干。(B)制备减阻剂水溶液。采用的减阻剂水溶液为聚丙烯酰胺(PAM)减阻剂水溶液。聚丙烯酰胺减阻剂水溶液的制备方法如下室温条件下，在去离子水中，边搅拌边慢慢加入聚丙烯酰胺(PAM)粉体颗粒，配制质量百分比浓度为 2%的PAM减阻剂水溶液。(C)将干燥后的硅藻土固化表面完全浸入减阻剂水溶液，然后置于真空干燥箱内进行脱气处理IOmin 20min，然后取出，便制得仿鲨鱼复合减阻表面。以上显示和描述了本实用新型的基本原理和主要特征和本实用新型的优点。本行业的技术人员应该了解，本实用新型不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本实用新型的原理，在不脱离本实用新型精神和范围的前提下，本实用新型还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本实用新型范围内。本实用新型要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。
权利要求1.仿鲨鱼复合减阻装置，其特征在于，包括一硅藻土固化层，所述硅藻土固化层内设有至少两个纳米微孔结构，所述硅藻土固化层内的纳米微孔结构中设有减阻剂。
2.根据权利要求1所述的仿鲨鱼复合减阻装置，其特征在于所述硅藻土固化层的外表面采用一鳞片型结构表面。
3.根据权利要求2所述的仿鲨鱼复合减阻装置，其特征在于所述硅藻土固化层的外表面采用鲨鱼皮结构表面。
4.根据权利要求1所述的仿鲨鱼复合减阻装置，其特征在于所述硅藻土固化层采用硅藻土制成的人工仿鲨鱼皮层，所述人工仿鲨鱼皮层内设有所述纳米微孔结构，所述纳米微孔结构中设有所述减阻剂。
专利摘要本实用新型涉及仿生技术领域，具体涉及一种减阻装置。仿鲨鱼复合减阻装置，包括一硅藻土固化层，硅藻土固化层内设有至少两个纳米微孔结构，硅藻土固化层内的纳米微孔结构中设有减阻剂。由于采用上述技术方案，本实用新型不仅能够发挥仿鲨鱼鳞片沟槽的减阻功能，而且还能够同时发挥仿鲨鱼缓释自润滑粘液的减阻功能。
文档编号B32B3/30GK202200602SQ201120332050
公开日2012年4月25日 申请日期2011年9月6日 优先权日2011年9月6日
发明者张珊珊, 邱先慧, 韩鑫, 黄淼 申请人:山东理工大学