基於生物自適應原理的功能表面多元仿生抗沖蝕研究

《基於生物自適應原理的功能表面多元仿生抗沖蝕研究》是依託吉林大學，由韓志武擔任項目負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：基於生物自適應原理的功能表面多元仿生抗沖蝕研究
• 項目類別：面上項目
• 項目負責人：韓志武
• 依託單位：吉林大學

項目摘要

異相介質沖蝕磨損是機械結構表面破壞的重要原因之一，給國防和工農業生產造成巨大的損失，是摩擦學研究的前沿、熱點和難點,至今尚未有效解決。典型沙漠生物在風沙沖蝕頻繁的環境中生存，經過長期自然選擇和進化，形成了優異的抗沖蝕功能和特性，是機械結構功能表面異相介質抗沖蝕仿生研究的天然生物模本，也是一種新的抗沖蝕機理。本項目以活體沙漠生物為研究對象，從生物生長和自適應角度，採用生物體表微觀分析和活體生長觀測相結合等技術手段，研究典型沙漠生物體表形態、微觀結構、自癒合、自修復等多因素對抗沖蝕功能的綜合影響規律，揭示其自適應抗沖蝕機理與多因素作用機制，通過複製典型沙漠生物體表形態和微觀結構，製備仿沙漠紅柳仿生自適應抗沖蝕結構功能表面，使其具有仿生抗沖蝕主動防禦和仿生自癒合功能，提出基於沙漠生物生長機理的仿生自適應抗沖蝕結構功能表面新的設計方法和製造技術，解決機械結構功能表面在異相介質中的抗沖蝕難題。

結題摘要

沖蝕磨損是指鬆散的固體小顆粒或液滴按一定的速度或角度衝擊到材料表面所造成的一種材料損耗現象或過程。直升機螺旋槳和離心風機葉片等都是重要的機械部件，在氣-固兩相流介質中工作時，微小顆粒撞擊到葉片表面，發生沖蝕磨損導致它們的葉片表面磨損失效。研究開發抗沖蝕磨損的新方法勢在必行。 利用體視顯微鏡和掃描電鏡分析了紅柳迎風面和背風面的體表形態、橫切面的年輪結構和同一年輪不同位置的微觀形貌。結果表明，紅柳具有普遍的偏心現象，迎風面年輪的寬度大於背風面的年輪寬度。 通過傅立葉紅外變換光譜儀、能譜儀和X射線衍射儀對紅柳內部迎風面、過渡區和背風面的成分進行了分析，通過萬能試驗機和納米壓痕儀對紅柳內部力學性能進行分析。結果表明，紅柳迎風面木質素、纖維素和草酸鈣成分含量高於背風面的含量，且迎風面的綜合力學性能也要優於背風面的力學性能，迎風面邊緣的拉應力小於次表面的拉應力，迎風面最大的拉應力大於背風面的最大拉應力。 研究了風沙沖蝕、體表形態、內部偏心結構和力學性能間的關係，揭示了紅柳抗沖蝕磨損機理。結果表明，紅柳迎風面體表和內部都具有良好的抗沖蝕磨損性能，紅柳寬年輪方向與風沙沖蝕方向一致，偏心生長是由於迎風面細胞分裂速度快引起的，紅柳迎風面體表裂紋的出現，降低了體表拉應力，應力降低促進了細胞快速分裂，從而引起年輪寬度增加，即偏心生長，偏心生長導致迎風面體表的應力增加幅度較大，較大的體表應力又導致了體表裂紋的出現。 基於紅柳體表形態，建立了方形槽、V形槽、弧形槽和凸包仿生表面模型。數值仿真結果表明，仿生表面形成繞流和“空氣墊”，“空氣墊”的形成，使部分固體顆粒沒有與仿生壁面碰撞而直接隨氣流離開，有效降低固體顆粒的運動速度，從而大大減小了顆粒與仿生壁面碰撞時的衝擊動能。通過自行設計並搭建的離心風機葉片表面沖蝕測試裝置，對仿生表面葉片的沖蝕磨損性能進行了測試。結果表明，V形槽形態尺寸為4 mm、形態間距為2 mm時，與光滑葉片相比，能達到約29%的抗沖蝕效果。 建立了利用紅柳孔道進行環氧樹脂表面仿生自修復模型，對環氧樹脂沖蝕磨損表面仿生自修復性能進行了探索性研究。結果表明，紅柳內部孔道立體網狀互通，利用紅柳和其炭化後的孔道，成功進行了環氧樹脂沖蝕磨損表面的自修復。 本項目的研究結果為仿生抗沖蝕磨損部件的設計製備提供了參考，為仿生智慧型材料的設計製備提供了新的思路和方法。