一种仿鲨鱼皮鳞片自适应柔性减阻薄膜及其制备方法

本发明涉及飞行器减阻设计的，具体涉及一种仿鲨鱼皮鳞片自适应柔性减阻薄膜及其制备方法。

背景技术：

1、减阻是大型客机设计的研究重点，关系着客机的经济性和环保性。大型客机主要在跨声速范围内巡航，具有高雷诺数的特点。湍流是机身表面边界层流态的主要形态，并导致了边界层的高摩擦阻力。减少飞机在行进过程中的摩擦阻力，是大型客机降低能耗、提高经济性的重要方法之一。

2、鲨鱼是海洋中高速游动的生物之一，世界上最快的鲨鱼速度可超过56km/h。除了完美的流线型身体降低压差阻力外，鲨鱼体表覆盖了一层阵列排布的鳞片。这些鳞片表面的微小的肋状结构一方面减少了由近壁面湍流运动所引起的横向流动，另一方面产生了二次涡而弱化边界层的湍流动能交换、减少速度脉动与压力脉动，进而减少表面的空气黏性阻力。此外，包裹鲨鱼鳞片的胶原蛋白层具有良好的活动性，能够带动鳞片阵列横向移动，因此在不同方向的来流冲击下，鳞片阵列能进行自适应排列，具有更好的减阻效果。

3、从20世纪70年代以来，国内外学者围绕仿鲨鱼皮鳞片开展大量研究，验证了微型沟槽的减阻效果。nasa-兰利研究中心的walsh等证实无量纲尺寸为h+＝s+＝15的对称v形沟槽能够达到8％的减阻率。空中客车公司在a320飞机上覆盖了占浸润面积80％的微沟槽薄膜，实现了1％-2％的节油效果，同时发现沟槽的布置方向与边界层底部气流方向的角度在±10％以内才有减阻效果，并且角度超过10％时，会导致增阻。专利cn102673772a和专利wo2021036858a1提出的具有减阻微沟槽结构的薄膜，其微沟槽的排列方式在贴装完成后就无法调整，结构单一固定，因此能够达到的减阻效果十分有限。

4、近年来，也有众多研究者围绕鲨鱼皮肤具有柔性以及鳞片可活动的特点对减阻效果的影响开展研究。专利cn105584542a提出一种耦合仿生减阻表面贴膜，具体而言，是在具有非光滑表面的密闭腔体内注入粘性液体制备薄膜，非光滑结构为凹坑、凸球、矩形截面凹槽和波浪状表面。然而该专利通过表面结构的上下波动而减阻，其表面结构无法针对不同流向的气体进行自适应调整。专利cn115593608a提出使用介电弹性体制备具有微小肋条的薄膜，通过调节肋条两侧电压差，实现表面肋条在三维空间上的变形，从而改变直肋条的展向间距或形成正弦结构。但上述变形需要额外能量输入，无法实现薄膜自身完全自适应减阻效果。专利cn113879453a提出一种基于微stewart机构的盾鳞覆瓦式减阻降噪蒙皮，使用一种并联式六自由度机构模拟鲨鱼盾鳞的多维运动形态。其仿生盾鳞鳞片由金属铰链与弹性支腿连接，其覆瓦式排列能进一步提高减阻效果的作用。但由于其结构设计复杂、组装难度大，难以大面积制备及应用。

5、现有的仿鲨鱼表皮的减阻技术主要聚焦在模仿鲨鱼鳞片表面的微结构上，由此制备结构固定的减阻薄膜，或通过外部输入能量改变薄膜表面的微结构。以上技术忽略了将真实鲨鱼皮肤的可活动性与微型沟槽表面结合的方法，目前缺乏一种能够根据不同来流方向自适应变形的具有微沟槽的薄膜的结构以及制备方法。

技术实现思路

1、为了克服现有技术存在的不足，本发明提出一种仿鲨鱼皮鳞片自适应柔性减阻薄膜及其制备方法，本发明采用独立鳞片单元表面微型沟槽的设计，具备流场变化自适应特点；采用3d打印及浇铸固化工艺，具有制备简单、成本低廉、适合大面积成型的特点。

2、本发明采用的技术方案是：

3、一种仿鲨鱼皮鳞片自适应柔性减阻薄膜，包括柔性基底以及仿生鳞片单元。仿生鳞片单元由支撑杆和带有表面微型沟槽的鳞片组成，其中支撑杆与鳞片为一个整体。仿生鳞片单元的支撑杆嵌入柔性基体中，多片独立仿生鳞片单元采用阵列排布方式固定在柔性基体的上方，从而形成仿鲨鱼皮鳞片结构。

4、进一步地，所述的仿生鳞片单元以矩形阵列或菱形阵列排布在所述的柔性基底上表面。

5、进一步地，仿生鳞片单元的鳞片形状为圆形、或矩形、或菱形，其表面的微型沟槽为v型、半圆型、椭圆型或矩形，大大增强微型沟槽结构的活动性。

6、优选地，每个仿生鳞片单元的鳞片直径为0.1～20mm，厚度为0.1～4mm。每个鳞片上设有3～5个微型沟槽，微型沟槽的宽度为0.05～3mm，深度为0.05～3mm，沟槽间距为0～3mm，沟槽顶角角度为30～120°。

7、优选地，所述的鳞片与支撑杆之间具有角度为95～120°的倾斜角。

8、优选地，所述的支撑杆长度为1～5mm，直径为0.5～5mm，其端部为球形、梯形等，最宽处尺寸为支撑杆长度的1.25～2倍。

9、优选地，所述的柔性基底的厚度为0.5～5mm，柔性基底由弹性模量小于10mpa、延伸率大于300％的聚合物材料制成，例如：固化比超过10:1的pdms硅橡胶、ecoflex、sebs、vmq等。

10、本发明还提供一种仿鲨鱼皮鳞片自适应柔性减阻薄膜的制备工艺，包括以下步骤：

11、s1：倒置3d打印仿生鳞片单元，具体步骤如下：

12、将主剂与固化剂按照质量分数比例5～10:1混合，得到混合物，加入混合物质量分数为15～25％的甲基丙烯氧基甲基硅氧烷-二甲基硅氧烷共聚物(m-pdms)以及混合物质量分数为0.5～0.8％的tpo-l光引发剂制备成紫外光固化的可打印墨水，在真空脱泡机中搅拌脱泡。

13、使用智能点胶机组装定制3d打印针头在可溶性支撑材料上挤出墨水，挤压通量为0.3～0.8ml/min，移动速度为0.5～3.0mm/s，喷嘴出口处固定有紫外灯，紫外光功率为1～3w/cm2，倒置打印出仿生鳞片单元，得到带有支撑平板的仿生鳞片单元。

14、s2：将仿生鳞片单元底部嵌入浇铸的柔性基底；具体步骤如下：

15、将主剂与固化剂按照质量分数比例1～20:1混合搅拌，随后在真空脱泡机中去除混合胶体中的气泡，得到柔性基底聚合物材料。

16、将黏流态的柔性基底聚合物材料倒入平板模具中，在平面上成型好的仿生鳞片单元翻转至支撑杆朝下，使支撑杆一半的长度浸入尚未固化的液态聚合物薄层中，固化后形成包裹仿生鳞片单元根部的柔性基底。

17、s3：整体固化；固化温度为40℃～120℃，固化时间为0.5h～48h。

18、s4：将柔性基底脱模，并去除3d打印的仿生鳞片单元上的支撑平板，得到产品。

19、进一步地，步骤s1中所述的仿生鳞片单元在支撑平面上带有微型沟槽的一面朝下倒置打印。

20、与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

21、(1)本发明结合了仿生鲨鱼皮鳞片表面微沟槽结构的减阻特性以及柔性壁面的柔性特性，不同于现有技术的整体式表面微型沟槽结构，采用独立鳞片单元表面微型沟槽的设计，大大增强微型沟槽结构的活动性，采用低弹性模量材料作为柔性基底，固定鳞片单元形成阵列结构，实现鳞片在无外部能量的条件下根据流向改变而自适应减阻。每一个独立鳞片单元带有倾斜角度，使表面沿流向呈现微波纹状，前一个鳞片单元抬升来流，减小来流对后一鳞片表面的冲击，从而进一步提升减阻效果。

22、(2)本发明采用仿鲨鱼皮鳞片结构，具备根据流向改变而自适应减阻的特点，采用3d打印及浇铸固化工艺，具有制备简单、成本低廉、适合大面积成型的特点。