典型植物叶片非光滑表面的纳米力学特性

利用纳米技术对几种典型植物叶片表面进行了纳米级硬度的测定。结果表明:不同质地、不同生存环境的植物叶表面形态、结构不同,从而使植物叶表面的硬度不同。其中革质鲜叶片(毛竹,紫丁香)表面硬度较大,蜡质叶片(水莲,美人蕉等)硬度较小;植物非光滑叶表形态中凸包处硬度较凹坑处的硬度大;同一叶片表层的硬度大于内层的硬度。本研究为工程仿生的表面耐磨涂层设计及其自然复合材料的选择提供有益参考。     

仿生非光滑表面材料与铝合金制件间的减黏

根据工程仿生学原理,用45^#钢和高速钢材料通过激光加工的方式制备出具有网格状结构表面的仿生非光滑试样,并与光滑表面试样在电子万能试验机上进行了脱附对比试验。结果表明,仿生非光滑表面试样的抗黏附性能明显优于光滑表面试样,其与制件间的黏附力比光滑表面降低4．7％～20．9％。观察发现,非光滑单元体的凹坑结构与制件接触界面间形成的空隙降低了试样与制件间的实际接触面积,是使仿生非光滑表面试样具有良好抗黏附性能的主要原因。仿生非光滑结构为提高材料表面的抗黏附性能开辟了一条新途径。     

仿生非光滑表面材料与铝合金制件间的减黏

根据工程仿生学原理,用45#钢和高速钢材料通过激光加工的方式制备出具有网格状结构表面的仿生非光滑试样,并与光滑表面试样在电子万能试验机上进行了脱附对比试验。结果表明,仿生非光滑表面试样的抗黏附性能明显优于光滑表面试样,其与制件间的黏附力比光滑表面降低4.7%~20.9%。观察发现,非光滑单元体的凹坑结构与制件接触界面间形成的空隙降低了试样与制件间的实际接触面积,是使仿生非光滑表面试样具有良好抗黏附性能的主要原因。仿生非光滑结构为提高材料表面的抗黏附性能开辟了一条新途径。     

植物表面非光滑形态与润湿性的关系

从工程角度出发,应用多项对比试验与典型分析相结合的方法,选取吉林省长春地区的部分植物,应用体视显微镜、扫描电镜和静滴接触角测量仪等进行了植物功能叶表面的非光滑形态及与水的表面润湿性和粘附性的试验研究。试验结果表明,植物表面具有的非光滑形态与表面润湿能力的强弱有极大的关系,非光滑单元体的形状和分布是影响植物表面憎水性强弱的决定性因素;规律分布凸包形非光滑单元体的植物表面的憎水性强,脱附效果好;规律密布表皮毛形非光滑单元体次之。上述结果为生物表面仿生工程和复合材料表面设计提供了借鉴。     

仿生非光滑表面在混合润滑状态下的摩擦性能

模仿蚯蚓的非光滑表面形态及其分泌体表液的摩擦行为和作用,利用摩擦试验台对模拟蚯蚓体表形态的凹坑、导角通孔、通孔三种仿生非光滑表面形态进行了滴油混合润滑摩擦试验。试验结果表明,在混合润滑情况下,接近蚯蚓背孔的通孔形仿生非光滑表面结构具有优良的减阻、耐磨效应,并从非光滑形态对润滑状态影响规律及对摩擦界面材料特性影响规律探讨了仿生非光滑形态对摩擦性能的影响机理。     

蝴蝶翅膀表面非光滑鳞片对润湿性的影响

对8科34属48种蝴蝶翅膀表面的润湿性进行了定性、定量研究。用扫描电子显微镜对蝴蝶翅膀表面进行观察得到:鳞片长为55~150μm,宽为35~105μm,鳞片上突起的高为200~950 nm。用视频光学接触角测量仪对翅膀表面的静态接触角和滚动角进行测量得到:接触角为134.0°~159.2°,表明翅膀表面具有较强的疏水性;顺向滚动角均小于3°,逆向滚动角均大于65°,表明翅膀鳞片结构具有明显的各向异性。蝴蝶翅膀表面的润湿性是由鳞片微米和纳米结构协同作用的结果。     

仿生非光滑旋成体表面减阻特性数值模拟

在前期进行的仿生非光滑旋成体模型低速风洞试验的基础上,将非光滑形态在旋成体模型上的排列方式固定为矩形布置,非光滑的尺寸固定为直径或宽度为1 mm,深度或高度为0.5 mm,在风速为44 m/s时,对布置在模型尾部的凸包形、凹坑形和棱纹形三种非光滑模型与表面光滑模型进行了对比模拟试验。试验结果表明,布置在尾部的非光滑结构能够有效地降低模型的压差阻力,尤其是棱纹状非光滑形态模型,压差阻力降低了25.3%,总阻力降低了11.12%。     

模拟活塞缸套摩擦副的仿生非光滑表面的摩擦学研究

根据仿生学原理,利用铝合金活塞和铸铁汽缸套的材料设计了普通结构和几种仿生结构的摩擦副,并在摩擦磨损试验机上进行了对比试验。结果表明,在干摩擦时,非光滑结构与普通结构的摩擦副的摩擦性能差异不大。在沾油润滑条件下,仿生非光滑结构的摩擦副的抗黏着磨损性能明显优于普通结构。其原因是在有润滑条件时,仿生非光滑结构具有较强的贮存润滑油及形成油膜的能力。     

沟槽非光滑表面流场的数值分析

利用有限体积法对三角形仿生非光滑沟槽表面流场进行了数值计算。近壁面区采用B-L两层模型,外区采用雷诺应力模型。分析了沟槽表面的流场特性,对计算域中心Z=3 mm平面的速度场和湍流统计量进行了研究。顶点间距s+≈20,h+≈17.3的沟槽减阻率为5.2%;s+≈40,h+≈34.6的沟槽增阻率为12.3%。从速度场、剪应力及湍流统计三方面对沟槽表面减阻、增阻机理进行了分析讨论。与风洞和油槽实验数据定性对比的结果表明,理论计算与实验结果一致。     

离心式水泵仿生非光滑增效的试验研究

基于仿生非光滑技术,通过改变离心式水泵中液体的流动结构降低固液界面的阻力,研究了水泵的增效问题。并设计了试验系统,采用L9(34)正交试验,以离心式水泵效率为试验指标,进行了离心式水泵的流量、扬程、电压和电流的测量。对比试验表明,在离心式水泵的有效工作流量范围内,某些仿生改形表面的模型具有十分明显的效果,效率提高最大为3.45%,最大增效率为6.81%。并优化出在两个流量段的主次因素和最优水平,为仿生非光滑技术在离心式水泵中应用的进一步研究提供了前期基础。     

Preparation of material surface structure similar to hydrophobic structure of lotus leaf

Nano/micro replication, a technique widely applied in the microelectronics field, was introduced to prepare the hydrophobic bionics microstructure on material surface. Poly（vinyl alcohol） （PVA） and polystyrene （PS） moulds of the mastoid microstructure on lotus leaf surface were prepared respectively by the nano/micro replication technology. And poly（dimethylsiloxane） （PDMS） replicas with the mastoid-like microstructure were prepared from these two kinds of polymer moulds. Scanning electronic microscope （SEM） was employed to investigate the morphology and microstructures on moulds and replicas. Both the static and dynamic contact angles between water droplet and PDMS replicas＇ surface were also measured. As a result, similar microstructure can be observed clearly on the surface of PDMS replicas and the static contact angle on PDMS replicas was enhanced dramatically by the existence of these microstructures.     

激光制备仿生非光滑表面蠕墨铸铁的耐磨性

模仿自然界中典型土壤动物的体表形态,运用激光加工的方法在蠕墨铸铁试样表面雕刻出不同形态、不同分布间距、不同倾斜角度的仿生非光滑单元体,研究了仿生非光滑表面试样的耐磨性,探讨了磨损机制。结果表明:仿生非光滑表面试样的耐磨性均优于未处理试样;非光滑单元体形态、分布间距、倾斜角度对试样的耐磨性均有影响;其中具有网格状非光滑单元体的试样耐磨性最好,条纹状次之,点状最差;单元体分布间距减小时,可进一步提高耐磨性;非光滑单元体倾斜角度为45°时,试样的耐磨性优于0°和90°;磨损机制以黏着磨损为主。