论文部分内容阅读
减小运动物体表面与流体之间的摩擦阻力对实现节能减排和提高能源利用率有着重要的意义。游速最快的海洋生物鲨鱼、海豚的皮肤结构为人们提供了非常优异的减阻模板。国内外学者受此启迪开展了仿鲨鱼皮表面的盾甲鳞结构的非光滑表面减阻和仿海洋生物的柔性皮肤特性的柔性壁减阻方面的研究，充分展示了仿生设计与制备对提高运动物体表层材料的减阻效应的巨大潜力与应用前景。本工作根据鲨鱼和海豚皮肤的结构特点，选择性能谱较宽、可设计性和可调控性较强、成型加工性能较好的聚氨酯（PU）弹性体为基材，制备了均质和非均质的柔性PU片材，以及表面构建了仿鲨鱼皮表面微结构的均质和非均质的柔性PU片材；利用自制的旋转式阻力测试仪对所制备的各种PU片材的减阻性能进行了测试，并以转速为398rpm时，不同PU片材试样的减阻率大小来评价减阻性能的优劣，从而研究了柔性PU片材的结构和物理机械性能对减阻性能的影响。具体的研究内容如下：以聚醚型PU预聚体M1、M2以及扩链剂3,3’-二氯-4,4’-二氨基二苯基甲烷（MOCA）和1,4-丁二醇（1,4-BD）为原料，通过浇注法制备了不同厚度和不同性能的均质（单层）柔性PU片材，表征了它们的物理机械性能和减阻性能，分析了片材厚度以及根据力学性能计算而得的反映材料柔性的柔性系数α与减阻性能的关系；在此基础上，设计和制备出非均质（双层）柔性的PU片材S1、S2和S3，测试和分析了其减阻性能，初步探讨了其减阻原理。结果表明，对于厚度在0.5~3.0mm之间的均质（单层）柔性PU片材，厚度约为2.0mm时具有较好的减阻效果；当厚度约为2.0mm的均质PU片材的弹性模量处在5~10MPa之间，柔性系数在1.1附近时，柔性PU片材具有较优的减阻效果，其在转速为398rpm时的减阻率最高可达16.7%；非均质（双层）柔性PU片材S1和S2的两层之间存在明显的界面，与相应的单层柔性PU片材相比，它们的减阻性能没有得到提高；而两层之间没有明显界面的双层柔性PU片材S3则表现出比相应的单层柔性PU片材更好的减阻性能，其在转速为398rpm时减阻率达到了17.0%。这说明在非均质柔性PU片材中，层与层之间的良好过渡是使性能不同的各层充分发挥其作用，从而获得优异的柔性减阻效应的关键之一。进一步地，利用表面微复制法与浇注法相结合的方法，分别在均质和非均质PU片材表面构建仿鲨鱼皮表面微结构，成功地制得了具有鲨鱼皮表面微结构的均质PU片材M1-D-B和M2-D-B，以及非均质PU片材S1-B和S3-B。对它们的减阻性能的测试和分析表明，在转速为398rpm时，具有鲨鱼皮表面微结构的均质柔性PU片材M1-D-B和M2-D-B试样的减阻率分别为16.0%和20.7%；具有鲨鱼皮表面微结构非均质柔性PU片材S1-B和S3-B试样的减阻率分别为7.6%和24.9%。它们的减阻率均高于相应没有鲨鱼皮表面微结构的柔性PU片材。这说明在柔性PU片材表面构建仿鲨鱼皮表面的微结构有助于提高柔性PU片材减阻性能。