本发明专利技术提供了一种具有鲨鱼盾鳞结构的金属基构件及其制备方法。该制备方法包括以下步骤：制备鲨鱼盾磷生物模板、制备鲨鱼盾鳞陶瓷负向模板以及制备具有鲨鱼盾鳞结构的金属基构件；制备鲨鱼盾鳞陶瓷负向模板的步骤包括：配制预混液、制备陶瓷浆料、陶瓷凝胶体注模、陶瓷凝胶体梯度脱水干燥、鲨鱼盾磷生物模板脱模以及鲨鱼盾磷陶瓷坯烧结；制备具有鲨鱼盾鳞结构的金属基构件的步骤包括：喷涂止焊剂、加入金属基粉末、包套焊接封装、振动填匀并抽真空检漏、金属基粉末烧结以及金属基构件脱模。本发明专利技术的具有鲨鱼盾鳞结构的金属基构件由上述方法制备得到。本发明专利技术的制备方法能够实现具有鲨鱼盾鳞结构的金属材料的制备，可以克服非金属材料的各种缺点。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及，属于金属成形
。
技术介绍
S鱼体表由菱形排列的盾鳞(placoid scales)覆盖，呈现肋条状的表面结构。如图1A以及图1B所示，盾鳞的长度通常为100-200 μ m，肋条间的宽度为50-100 μ m。鲨鱼皮表面的扫描电子显微镜照片如图2所示。盾鳞呈釉质，质地非常坚硬(显微硬度300-350HV，在古代被用作砂纸)，由非光滑的鳞棘和深埋在真皮中的基板构成。盾鳞和牙齿属同源器官(又称“齿鳞”)，其形态因鲨鱼种类和身体部位而异。盾鳞上的这种肋条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。鲨鱼皮非光滑表面结构具有优越减阻性能。有关资料表明，现代民用飞机的阻力中，表面摩擦阻力几乎占总阻力的48% ;船舶在运动时，由表面摩擦所引起的阻力约占总阻力的70%-80% ;在管道运输中80%-100%的能量都损耗在表面摩擦阻力上，大量的能源因表面阻力的存在而被消耗掉了。减阻技术在军民领域均有广泛的应用前景，如发动机叶片、流体输送管、飞行器复杂气动蒙皮、高速列车气动蒙皮、水下作战单元(战舰、潜艇等)。据报道，高分子材料制备的高精度鲨鱼盾鳞结构减阻效果在10%以上，可见报道中减阻效果最闻可达24.6%。目前，仿生鲨鱼皮盾鳞结构复制制备主要分为两个过程:负向模板制造与复型翻模。盾鳞结构现有制备方法主要包括:微热压印法、微塑铸法、微电铸法以及软刻技术等。微热压印法为热压成型与真空浇注两种材料成型手段的组合，包括基板加热、样本叠放与施压、弹性脱模、复型翻模四步，其中的前三步为得到具有鲨鱼盾鳞结构的负向模板。在真空热压机内，以聚甲基丙烯酸甲脂(PMMA)平板为基板，将鲨鱼皮平铺其上并用平板辅以充气垫压平；真空条件下升温到PMMA玻璃化温度并保压一段时间，保压结束后脱模得到印有盾鳞的负向模板。复型翻模采用预聚体真空浇注法，将PDMS预聚体与固化剂按一定质量比例混合并脱气，浇注于先前制造的负向模板上，加热固化，达到预定固化时间后脱模便得到仿生鲨鱼皮。微塑铸法复制鲨鱼皮的工艺过程与微压印法基本相同，在负向模板制造阶段，在按一定质量比例混合的PDMS预聚体与固化剂固化前，将其填塞到鲨鱼皮表面进行复型，固化后脱模得到微复制模板(负向模板)。复型翻模阶段，采用RTV-1I硅橡胶复型后制得仿生鲨鱼皮。微电铸法则是在负向模板制造阶段，采用电铸法制备鲨鱼皮金属镍负向模板。电铸法常用的金属为铜、镍、铁三种，而后在负向翻模阶段，采用热压法将聚乙烯PE板在之前制备的金属镍负向模板上制备仿生鲨鱼皮。真空浇注法主要包括:在负向模板制造阶段，向鲨鱼皮样本表面浇注液态复制材料，然后利用抽真空设备去除复制材料中的气泡，待复制材料固化后脱模得到鲨鱼皮复制负向模板，其中复制材料可以为液态硅橡胶、PDMS预聚体或固化剂按一定比例的混合液等；复型翻模阶段均同样采用真空浇注法。微纳米滚压成形法主要包括:在负向模板制造阶段，采用磁控溅射在生物鲨鱼皮上溅射0.5 μ m镍层，接着采用喷涂技术将光刻胶PR1-12000A旋涂在生物鲨鱼皮的镍层上，在120°C烘烤180s，然后照射365nm波长紫外线6min，经去离子水清洗；光刻之后，鲨鱼皮潮湿且柔软，将其贴在金属辊上，置于干燥箱中干燥后，获得具有鲨鱼皮拓扑结构的滚轴；负向模板材料采用环氧树脂AW-01，在45°C固化145-150min后具有最佳塑性，需要在此时间段内迅速完成滚压过程；当滚压完成后，在室温条件下完全固化，从而获得鲨鱼皮负向模板；在复型翻模阶段，采用注塑法在获得的负向模板上制备硅橡胶仿生鲨鱼皮。软刻技术主要包括:在弹性负向模板制备阶段，以预处理的鲨鱼皮为微复制模板，利用软刻工艺中的软模成型技术制备硅橡胶质弹性负向模板；在复型翻模阶段，以水性环氧树脂与聚丙烯酰胺的接枝共聚物为基材，对弹性负向模板进行复型，成形出一种兼具纳米长链减阻界面与逼真微米沟槽形貌的复合减阻鲨鱼皮。但是，现有的制备具有鲨鱼盾鳞结构的材料存在很多不足。其一，适用范围主要为非金属材料。目前，鲨鱼皮盾鳞结构制备的各种方法(如微热压印法、微塑铸法、微电铸法、软刻技术等)中，仿生鲨鱼皮制备材料以非金属材料为主(普遍采用高聚物材料，如PDMS预聚体与固化剂混合物、硅橡胶、聚乙烯等)。尽管高聚物材料沟槽可以展现相当好的减阻效果，可在真实物理环境中，由于磨损，上述模型的减阻效果会很快消失殆尽；另外非金属材料亦不能应用于高温部件，如叶片等。其二，难以在工程领域应用推广。如微电铸法，由于微电铸法的常用金属主要为铜、镍、铁三种，其他金属材料如钛合金、铝合金、铝锂合金等电铸困难，而不能被采用。微纳米滚压成形法采用磁控溅射镍层，同样存在金属基材料限制问题，而且磁控溅射效率低。另外，微纳米滚压成形法在滚压制备负向模板时，需要在环氧树脂固化特定时间内完成， 操作困难。因此，研发出，仍是本领域亟待解决的问题之一。
技术实现思路
为解决上述技术问题，本专利技术的目的在于提供。本专利技术的制备方法能够实现具有鲨鱼盾鳞结构的金属材料的制备，可以克服采用非金属材料的各种缺点。为达上述目的，本专利技术提供一种具有鲨鱼盾鳞结构的金属基构件的制备方法，其包括以下步骤:步骤1、制备鲨鱼盾磷生物模板；步骤2、制备鲨鱼盾鳞陶瓷负向模板:将蒸馏水、丙烯酰胺(AM)和亚甲基双丙烯酰胺(MBAM，交联剂)混合均匀形成预混液；将氧化铝加入到所述预混液中，得到陶瓷浆料；在所述陶瓷浆料中加入过硫酸铵(ASP，引发剂)和四甲基乙二胺(TEMED，催化剂)并混合均匀，然后进行抽真空除气，经过15-30min，得到陶瓷凝胶体；将所述陶瓷凝胶体注入所述鲨鱼盾磷生物模板中；然后对所述鲨鱼盾磷生物模板中的陶瓷凝胶体进行梯度脱水，使所述陶瓷凝胶体干燥形成陶瓷坯；再将所述鲨鱼盾磷生物模板沿盾鳞拔模方向从干燥的陶瓷坯上脱模，得到鲨鱼盾磷陶瓷坯；对所述鲨鱼盾磷陶瓷坯进行烧结，得到所述的鲨鱼盾鳞陶瓷负向模板；步骤3、制备具有鲨鱼盾鳞结构的金属基构件:在所述鲨鱼盾鳞陶瓷负向模板具有鲨鱼盾鳞结构的一面喷涂止焊剂；将喷涂止焊剂后的鲨鱼盾鳞陶瓷负向模板置于包套内；将金属基粉末置于鲨鱼盾鳞陶瓷负向模板喷涂止焊剂的面上，然后对具有鲨鱼盾鳞陶瓷负向模板以及金属基粉末的包套进行焊接封装；在振动作用下使金属基粉末在包套内均匀填充；然后进行抽真空检漏(若泄漏，则可以进行补焊)；对无泄漏的具有鲨鱼盾鳞陶瓷负向模板以及金属基粉末的包套进行烧结；然后去除包套，并将金属基构件从鲨鱼盾鳞陶瓷负向模板上脱模，得到所述的具有鲨鱼盾鳞结构的金属基构件。在上述的制备方法中，优选地，步骤2中的氧化铝为中位径0.5-3 μ m的氧化铝粉末。 在上述的制备方法中，优选地，以该陶瓷浆料的总质量为基准，步骤2中的陶瓷浆料的固含量为52-70%。在上述的制备方法中，优选地，步骤2中的蒸馏水、丙烯酰胺、亚甲基双丙烯酰胺的质量比为(69.9-88.5): (11-30): (0.1-0.5)。在上述的制备方法中，优选地，步骤2中的陶瓷浆料、过硫酸铵、四甲基乙二胺的质量比为(90-95.9): (4-9.5): (0.1-0.5)。在上述的制备方法中，对所述鲨鱼盾磷生物模板中的陶瓷凝胶体进行梯度脱本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种具有鲨鱼盾鳞结构的金属基构件的制备方法，其包括以下步骤：步骤1、制备鲨鱼盾磷生物模板；步骤2、制备鲨鱼盾鳞陶瓷负向模板：将蒸馏水、丙烯酰胺和亚甲基双丙烯酰胺混合均匀形成预混液；将氧化铝加入到所述预混液中，得到陶瓷浆料；在所述陶瓷浆料中加入过硫酸铵和四甲基乙二胺并混合均匀，然后进行抽真空除气，经过15?30min，得到陶瓷凝胶体；将所述陶瓷凝胶体注入所述鲨鱼盾磷生物模板上；然后对所述鲨鱼盾磷生物模板中的陶瓷凝胶体进行梯度脱水，使所述陶瓷凝胶体干燥形成陶瓷坯；再将所述鲨鱼盾磷生物模板沿盾鳞拔模方向从干燥的陶瓷坯上脱模，得到鲨鱼盾磷陶瓷坯；对所述鲨鱼盾磷陶瓷坯进行烧结，得到所述的鲨鱼盾鳞陶瓷负向模板；步骤3、制备具有鲨鱼盾鳞结构的金属基构件：在所述鲨鱼盾鳞陶瓷负向模板具有鲨鱼盾鳞结构的一面喷涂止焊剂；将喷涂止焊剂后的鲨鱼盾鳞陶瓷负向模板置于包套内；将金属基粉末置于鲨鱼盾鳞陶瓷负向模板喷涂止焊剂的面上，然后对具有鲨鱼盾鳞陶瓷负向模板以及金属基粉末的包套进行焊接封装；在振动作用下使金属基粉末在包套内均匀填充；然后进行抽真空检漏；对无泄漏的具有鲨鱼盾鳞陶瓷负向模板以及金属基粉末的包套进行烧结；然后去除包套，并将金属基构件从鲨鱼盾鳞陶瓷负向模板上脱模，得到所述的具有鲨鱼盾鳞结构的金属基构件。...
【技术特征摘要】
1.一种具有鲨鱼盾鳞结构的金属基构件的制备方法，其包括以下步骤:步骤1、制备鲨鱼盾磷生物模板；步骤2、制备鲨鱼盾鳞陶瓷负向模板:将蒸馏水、丙烯酰胺和亚甲基双丙烯酰胺混合均匀形成预混液；将氧化铝加入到所述预混液中，得到陶瓷浆料；在所述陶瓷浆料中加入过硫酸铵和四甲基乙二胺并混合均匀，然后进行抽真空除气，经过15_30min，得到陶瓷凝胶体；将所述陶瓷凝胶体注入所述鲨鱼盾磷生物模板上；然后对所述鲨鱼盾磷生物模板中的陶瓷凝胶体进行梯度脱水，使所述陶瓷凝胶体干燥形成陶瓷坯；再将所述鲨鱼盾磷生物模板沿盾鳞拔模方向从干燥的陶瓷坯上脱模，得到鲨鱼盾磷陶瓷坯；对所述鲨鱼盾磷陶瓷坯进行烧结，得到所述的鲨鱼盾鳞陶瓷负向模板；步骤3、制备具有鲨鱼盾鳞结构的金属基构件:在所述鲨鱼盾鳞陶瓷负向模板具有鲨鱼盾鳞结构的一面喷涂止焊剂；将喷涂止焊剂后的鲨鱼盾鳞陶瓷负向模板置于包套内；将金属基粉末置于鲨鱼盾鳞陶瓷负向模板喷涂止焊剂的面上，然后对具有鲨鱼盾鳞陶瓷负向模板以及金属基粉末的包套进行焊接封装；在振动作用下使金属基粉末在包套内均匀填充；然后进行抽真空检漏；对无泄漏的具有鲨鱼盾鳞陶瓷负向模板以及金属基粉末的包套进行烧结；然后去除包套，并将金属基构件从鲨鱼盾鳞陶瓷负向模板上脱模，得到所述的具有鲨鱼盾鳞结构的金属基构件。2.根据权利要求1所述的制备方法，其中，步骤2中的氧化铝...
【专利技术属性】
技术研发人员：刘宝胜，吴为，曾元松，
申请(专利权)人：中国航空工业集团公司北京航空制造工程研究所，
类型：发明
国别省市：
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