鲨鱼皮仿生结构应用及制造技术综述

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1、第２１卷第４期２０１４年８月塑性工程学报ＪＯＵＲＮＡＬＯＦＰＬＡＳＴＩＣＩＴＹＥＮＧＩＮＥＥＲＩＮＧＶｏｌ．２１Ｎｏ．４Ａｕｇ．２０１４ｄｏｉ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１００７－２０１２．２０１４．０４．０１２鲨鱼皮仿生结构应用及制造技术综述＊（北京航空制造工程研究所金属成形技术研究室，北京１０００２４）刘宝胜吴为曾元松摘要：鲨鱼体表的盾鳞沟槽结构具有显著的减阻效果。鲨鱼仿生沟槽结构的应用涉及航空、舰艇、汽车、管路运输、风力发电等领域。鲨鱼皮沟槽结构的仿生制造主要有两个途径，即沟槽结构形式与鲨鱼盾鳞仿真结构形式。文章针对沟槽结构的微槽滚压、金刚石多轮廓磨削、飞秒激光烧蚀等制造技术，及

2、鲨鱼盾鳞仿真结构的微压印法、固化法、微电铸法、微纳米滚压法、软刻技术等进行了综述，并对鲨鱼皮仿生结构制造技术进行了展望。关键词：鲨鱼盾鳞；仿生结构；减阻；制造技术中图分类号：Ｖ２６文献标识码：Ａ文章编号：１００７－２０１２（２０１４）０４－００５６－０７ＲｅｖｉｅｗｏｎａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎａｎｄｆａｂｒｉｃａｔｉｏｎｏｆｓｈａｒｋｓｋｉｎｂｉｏｎｉｃｓｔｒｕｃｔｕｒｅＬＩＵＢａｏ－ｓｈｅｎｇＷＵＷｅｉＺＥＮＧＹｕａｎ－ｓｏｎｇ（ＢｅｉｊｉｎｇＡｅｒｏｎａｕｔｉｃａｌＭａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙＲｅｓｅａｒｃｈＩｎｓｔｉｔｕｔｅ，Ｂｅｉｊｉｎｇ１０００２４Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔ

3、ｒａｃｔ：Ｔｈｅｒｉｂｌｅｔｓｔｒｕｃｔｕｒｅｏｆｓｈａｒｋｓｋｉｎｉｓｐｒｏｖｅｄｔｏｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｔｌｙｅｆｆｅｃｔｄｒａｇｒｅｄｕｃｔｉｏｎ．Ｔｈｅｂｉｏｎｉｃｒｉｂｌｅｔｓｔｒｕｃｔｕｒｅｉｓｗｉｄｅｌｙａｐｐｌｉｅｄｉｎｉｎｄｕｓｔｒｙ，ｓｕｃｈａｓａｖｉａｔｉｏｎ，ｎａｖａｌｖｅｓｓｅｌｓ，ａｕｔｏｍｏｔｉｖｅｓ，ｐｉｐｅｔｒａｎｓｐｏｒｔａｔｉｏｎａｎｄｗｉｎｄｐｏｗｅｒｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ．Ｔｈｅｆａｂｒｉｃａｔｉｏｎｏｆｔｈｅｂｉｏｎｉｃｒｉｂｌｅｔｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓｆｏｃｕｓｅｓｏｎｔｗｏｓｔｙｌｅｓ：ｓｉｍｐｌｉｆｉｅｄｒｉｂｌｅｔｓｔｒｕｃｔｕｒｅａｎｄｓｈａｒ

4、ｋｐｌａｃｏｉｄｓｃａｌｅｓｄｉｒｅｃｔｌｙｒｅｐｌｉｃａｔｉｏｎ．Ａｓｔｏｔｈｅｆｏｒｍｅｒｓｔｙｌｅ，ｔｈｅｔｙｐｉｃａｌｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓｏｆｍｉｃｒｏ－ｒｉｂｌｅｔｒｏｌｌｉｎｇ，ｄｉａｍｏｎｄｐｒｏｆｉｌｅｇｒｉｎｄｉｎｇ，ｆｅｍｔｏｓｅｃｏｎｄｌａｓｅｒａｂｌａｔｉｏｎａｒｅｒｅ－ｖｉｅｗｅｄ．Ａｎｄｔｈｅｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓｏｆｍｉｃｒｏ－ｔｈｅｒｍａｌｐｒｅｓｓｉｎｇ，ｓｏｌｉｄｉｆｉｃａｔｉｏｎ，ｍｉｃｒｏ－ｃａｓｔｉｎｇ，ｍｉｒｃｏ／ｎａｎｏ－ｒｏｌｌｉｎｇａｎｄｓｏｆｔｌｉｔｈｏｇｒａｐｈｙａｒｅａｌｓｏｒｅｖｉｅｗｅｄｆｏｒｔｈｅｌａｔｔｅｒｓｔｙｌｅ．Ｆｉｎ

5、ａｌｌｙ，ｔｈｅｓｕｇｇｅｓｔｉｏｎｓｏｎｔｈｅｒｉｂｌｅｔｓｔｒｕｃｔｕｒｅｆａｂｒｉｃａｔｉｎｇａｒｅｐｒｅｓｅｎｔｅｄ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｓｈａｒｋｓｋｉｎｐｌａｃｏｉｄｓｃａｌｅ；ｂｉｏｎｉｃｓｔｒｕｃｔｕｒｅ；ｄｒａｇｒｅｄｕｃｔｉｏｎ；ｆａｂｒｉｃａｔｉｏｎ引言鲨鱼体表由菱形排列的盾鳞（ｐｌａｃｏｉｄｓｃａｌｅｓ）覆盖［１］，呈现肋条状的表面结构，如图１所示。盾鳞的长度通常为１００μｍ～２００μｍ，肋条间的宽度为５０μｍ～１００μｍ［２］。盾鳞呈釉质，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”，质地坚硬，其形态因鲨鱼种类和身体部位而异。盾鳞上的这种肋

6、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，有效减小水体阻力［２－４］。１９３６年英国生物学家Ｇｒａｙ计算发现，海豚快速游动时的理论作功能耗是实际摄食能量的７倍图１鲨鱼皮盾鳞结构示意图ａ）盾鳞结构；ｂ）鲨鱼皮表面ＳＥＭ照片＊航空基金资助项目（２０１３ＺＥ２５０１２）。刘宝胜Ｅ－ｍａｉｌ：ｌｉｕｂａｏｓｈｅｎｇ＠１６３．ｃｏｍＦｉｇ．１Ｐｌａｃｏｉｄｓｃａｌｅｓｏｆｓｈａｒｋｓｋｉｎ［５－６］作者简介：刘宝胜，男，１９７９年生，博士，工程师收稿日期：２０１３－１１－２７（这一现象被称为格雷悖论，Ｇｒａｙｓｐａｒａｄｏｘ），引发了对海洋大型快速游泳动物减阻仿生学的研究

7、。第４期刘宝胜等：鲨鱼皮仿生结构应用及制造技术综述５７而肋条结构减阻仿生制造及减阻材料在飞行器上的测试研究始于２０世纪８０年代。ＮＡＳＡ将其列为２１世纪的航空关键技术之一，１９８３年ＮＡＳＡ将其列入研究计划，１９８６年ＮＡＳＡ将其列入试飞计划，同时洛克希德公司设计出了有规则分布的沟槽微结构表面，试验结果表明，摩擦阻力减小了１０％以上，这一发现引起了各国研究者的广泛关注［７］。１减阻结构的应用减小材