仿生结构异质复合材料设计、制备及对流体介质控制机制

【摘要】研究表明水生生物如海豚在流体介质运动中，其特殊的皮肤结构可根据流体载荷发生动态变化，实现减阻功能。受上述现象启发，根据仿生学相似原理，本文设计并制备了一种仿生结构异质复合材料；该复合材料由不同属性的双层材料构成，以表面具有仿生非光滑结构的铸铁材料作为基底材料承受压力，以具有一定弹性的聚氨酯材料作为面层材料用来传递流体压力，制备一种新型仿生结构异质复合材料，实现对流体介质有效控制。研究表明，尽管具有这种结构的仿生异质复合材料应用在流体机械-泵类产品其增效结果显著，然而，在实际应用过程中发现，这种仿生结构异质复合材料具有不耐磨及剥落现象，针对上述情况，本文主要在仿生结构异质复合材料面层材料的耐磨性能、力学性能及其与基底材料界面力学性能方面进行了研究。以耐磨性能及抗剪切性能为研究目标，对双组份面层材料的配比、硫化时间及其基底材料的界面形态等参数进行优化；并利用流动显示试验对仿生结构异质复合材料对流体介质的控制机制进行了研究，为这种新材料在以流体为工作介质的流体机械或是在流体介质中运行的交通工具的全面应用，提供技术上的保证，为此，本文主要从以下几个方面进行了研究并得到如下结论：1.仿生结构异质复合材料力学性能试验研究仿生结构异质复合材料的设计及制备，应综合考虑表面面层材料的弹性、耐磨性及其与基底材料界面的力学性能；面层材料的弹性、耐磨性主要与面层材料的组分配比、二次硫化时间有密切关系；研究表明面层材料组分配比100:12、二次硫化时间8小时时，面层材料的弹性及耐磨性能最优；除面层材料的配比外，仿生结构异质复合材料基底材料表面结构对其界面抗拉及抗剪性能影响较大，其最大抗拉性能及抗剪切性能的样件其基底材料均具有仿生沟槽结构；2.仿生结构异质复合材料缺陷检测利用超声波无损检测方法，采用一收一发的方式进行仿生结构异质复合材料界面缺陷的检测方法是可行且有效的，但是，该检测方法尚不能对该材料界面缺陷的类型进行准确判断；3.仿生结构异质复合材料对流体介质的控制机制（1）仿生结构异质复合材料通过表面面层材料的弹性变形及与基底仿生结构的耦合实现对流体介质的动态控制；表面面层材料的弹性变形吸收了部分能量，从而降低了对流体介质的扰动、传播及发展，平稳的与来流在尾迹处实现再附，从而降低尾迹的负压，实现降低压差阻力的目的；（2）仿生结构异质复合材料通过面层材料的弹性变形及与基底材料仿生结构的耦合，顺应流体介质压力变化，稳定流过其表面的紊流，降低了紊流在模型表面上的堆积效果，从而降低尾迹涡生成速度及密度的方式降低了能量的耗散，从而达到控制流体介质，实现增效减阻的目的。
【作者】高志桦；
【导师】田丽梅；
【作者基本信息】吉林大学，农业机械化工程，2014，硕士
【关键词】仿生结构；异质复合材料；力学性能；流体介质；控制机制；

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