● 摘要
生物加工是制造领域除物理、化学形式加工方法之外的第三种加工方法，现已衍生出生物约束成形、生物连接成形、生物复制成形、生物自组装成形、生物生长成形等多种成形方法。本文在基于动物表皮形貌直接复制的生物复制成形技术的基础上，提出了一种纳米减阻界面接枝合成与逼真微米形貌生物复制同时完成的合成生物复制成形技术。本文以直接利用具有优异减阻性能的鲨鱼皮制造新型仿鲨鱼复合减阻表面为切入点，对合成生物复制成形技术的基础工艺及基础理论进行了系统研究。本文以典型快鲨——灰鲭鲨鱼皮为微复制模板，首先对其进行化学预处理以保持结构完整性，并使其在后续工艺中满足强度、硬度及耐热性等方面要求；然后采用纳米压印光刻工艺中的软模制备技术制备硅橡胶质弹性阴模板，利用水性环氧树脂与聚丙烯酰胺的接枝共聚物对弹性阴模板进行复型翻模，最终成形出兼具纳米长链减阻界面与逼真微米沟槽形貌的仿鲨鱼复合减阻结构，从而摸索出了合成生物复制成形技术的基本工艺过程。对采用合成生物复制成形工艺制备的复合减阻结构进行几何复制精度分析，结果表明，该工艺可以实现鲨鱼盾鳞的高精度复制成形，尤其在鳞片倾角复制方面，成形精度平均高达96.9%，较生物复制成形技术有显著提高；利用傅立叶变换红外光谱仪对水性环氧树脂与聚丙烯酰胺进行接枝机理分析，利用电子万能试验机对复合减阻结构进行增塑机理分析，进而验证了采用合成生物复制成形技术能够制备出兼具纳米长链减阻界面与逼真微米沟槽形貌，同时满足一定强度、塑性等机械性能要求的复合减阻结构。基于现有沟槽结构与高分子减阻剂的减阻机理建立仿鲨鱼复合减阻结构模型；制备复合减阻蒙皮，并在中国船舶科学研究中心空泡水筒实验室进行减阻性能测试。测试结果表明，在测试速度范围内，仿鲨鱼复合减阻结构的减阻性能随流速增大而提高，最终表现出显著的复合减阻效应，最高减阻率可达24.6%。进而说明，合成生物复制成形技术在仿生减阻表面制造方面具有较好的工程利用价值和应用前景。合成生物复制成形技术的提出不仅丰富和拓宽了生物加工的理论和技术体系，也为仿生减阻表面制造领域的创新与发展提供了有益探索。