题目：仿鲨鱼减阻表面生物复制成形技术研究

生物加工是机械工程领域现有物理、化学形式加工方法之外的第三大加工方法。在基于微生物生理特征的生物去除成形和基于微生物形体的生物约束成形研究的基础上，本文进一步探索将生物加工的对象由微生物体扩展到动物形体，提出了基于动物表皮形貌直接复制的生物复制成形技术（Bio-replicated Forming）。该技术直接以动物表皮为生物模版，并以此复型出具有一定微观结构和功能的仿生表面。本文以直接利用水下低阻动物表皮的典型代表—鲨鱼皮制造新型仿鲨鱼减阻表面为切入点，对生物复制成形技术的基础工艺和基础理论进行了系统研究。以仿鲨鱼鳞片沟槽和体表粘液为核心内容的仿鲨鱼减阻表面制造技术是当前研究的热点和难点之一。本文以短尾真鲨鱼皮作为复制模版，首先进行化学预处理以保持其结构完整性，并在硬度、强度、耐热性等方面满足生物复制成形工艺的要求。进而对鲨鱼皮微观减阻形貌和宏观减阻形体进行了三维精密测量，建立了鲨鱼沟槽生物原型和三维形体的数字化模型，从而首次对鲨鱼减阻表皮和减阻形体进行了精确定量分析。针对传统仿鲨鱼沟槽减阻表面制造过程中存在的成形质量差、成形效率低、制造成本高以及功能效果差等问题，提出了鲨鱼皮微压印、微电铸、微塑铸生物复制成形工艺，建立了各自完整的工艺流程，解决了材料沉积、变形、填充、脱模等一系列工艺问题，进而分析了生物复制成形过程中的材料变形、控制及成模机理。借助上述三种生物复制成形工艺首次制造出了高逼真仿鲨鱼沟槽减阻表面，从而建立起生物复制成形技术的工艺体系。复制精度分析结果表明，生物复制成形技术在对鲨鱼皮外端形貌的微复制方面表现出较高的复制精度，从而证实了该技术可以应用于复杂动物坚硬表皮形貌的直接复制。成形质量、效率、成本及可操作性等的对比分析结果表明，微压印法在大面积仿鲨鱼沟槽减阻表面的成形制造方面表现出良好的综合复制效果，具有较好的实用性和可操作性；微电铸和微塑铸法可以弥补微压印法的不足，使生物复制成形技术更具针对性和灵活性。采用微压印法拼接制备出了大面积仿鲨鱼沟槽减阻测试样件，并在中国船舶科学研究中心空泡水筒实验室进行了水洞测试。测试结果表明，该新型仿鲨鱼沟槽减阻表面表现出明显的减阻效果，在试验工况下测得了最大8.25％、平均6.91％的减阻率。从而证实了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。模仿鲨鱼体表粘液减阻机理，提出采用化学接枝亲水改性原理实现减阻高分子长链与基体间高结合力连接以制备仿鲨鱼自润滑减阻表面的方法，试验证实该减阻表面达到了最大40.24％、平均12.79％的减阻率。进而通过在仿鲨鱼沟槽减阻表面喷涂仿鲨鱼自润滑减阻涂层制备出了仿鲨鱼自润滑沟槽减阻表面，并测得了最大46.31%、平均28.92%的减阻率。最后，针对简单喷涂方式所暴露出的问题，提出采用生物复制成形工艺制造新型仿鲨鱼自润滑沟槽减阻表面的方法，并直接在仿鲨鱼自润滑减阻涂层上复制成形出了高逼真仿鲨鱼沟槽微形貌。从而首次实现了高逼真仿鲨鱼沟槽形貌与自润滑粘液的低成本、高效能、双重仿生，进一步提高了仿鲨鱼减阻表面的减阻性能。生物复制成形技术的提出不仅丰富和拓展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。本文的研究工作对于直接利用自然生物形体制造仿生功能表面具有一定的借鉴意义。