基于生物自适应原理的功能表面多元仿生抗冲蚀研究

异相介质冲蚀磨损是机械结构表面破坏的重要原因之一，给国防和工农业生产造成巨大的损失，是摩擦学研究的前沿、热点和难点,至今尚未有效解决。典型沙漠生物在风沙冲蚀频繁的环境中生存，经过长期自然选择和进化，形成了优异的抗冲蚀功能和特性，是机械结构功能表面异相介质抗冲蚀仿生研究的天然生物模本，也是一种新的抗冲蚀机理。本项目以活体沙漠生物为研究对象，从生物生长和自适应角度，采用生物体表微观分析和活体生长观测相结合等技术手段，研究典型沙漠生物体表形态、微观结构、自愈合、自修复等多因素对抗冲蚀功能的综合影响规律，揭示其自适应抗冲蚀机理与多因素作用机制，通过复制典型沙漠生物体表形态和微观结构，制备仿沙漠红柳仿生自适应抗冲蚀结构功能表面，使其具有仿生抗冲蚀主动防御和仿生自愈合功能，提出基于沙漠生物生长机理的仿生自适应抗冲蚀结构功能表面新的设计方法和制造技术，解决机械结构功能表面在异相介质中的抗冲蚀难题。

冲蚀磨损是指松散的固体小颗粒或液滴按一定的速度或角度冲击到材料表面所造成的一种材料损耗现象或过程。直升机螺旋桨和离心风机叶片等都是重要的机械部件，在气-固两相流介质中工作时，微小颗粒撞击到叶片表面，发生冲蚀磨损导致它们的叶片表面磨损失效。研究开发抗冲蚀磨损的新方法势在必行。.利用体视显微镜和扫描电镜分析了红柳迎风面和背风面的体表形态、横切面的年轮结构和同一年轮不同位置的微观形貌。结果表明，红柳具有普遍的偏心现象，迎风面年轮的宽度大于背风面的年轮宽度。.通过傅里叶红外变换光谱仪、能谱仪和X射线衍射仪对红柳内部迎风面、过渡区和背风面的成分进行了分析，通过万能试验机和纳米压痕仪对红柳内部力学性能进行分析。结果表明，红柳迎风面木质素、纤维素和草酸钙成分含量高于背风面的含量，且迎风面的综合力学性能也要优于背风面的力学性能，迎风面边缘的拉应力小于次表面的拉应力，迎风面最大的拉应力大于背风面的最大拉应力。.研究了风沙冲蚀、体表形态、内部偏心结构和力学性能间的关系，揭示了红柳抗冲蚀磨损机理。结果表明，红柳迎风面体表和内部都具有良好的抗冲蚀磨损性能，红柳宽年轮方向与风沙冲蚀方向一致，偏心生长是由于迎风面细胞分裂速度快引起的，红柳迎风面体表裂纹的出现，降低了体表拉应力，应力降低促进了细胞快速分裂，从而引起年轮宽度增加，即偏心生长，偏心生长导致迎风面体表的应力增加幅度较大，较大的体表应力又导致了体表裂纹的出现。.基于红柳体表形态，建立了方形槽、V形槽、弧形槽和凸包仿生表面模型。数值仿真结果表明，仿生表面形成绕流和“空气垫”，“空气垫”的形成，使部分固体颗粒没有与仿生壁面碰撞而直接随气流离开，有效降低固体颗粒的运动速度，从而大大减小了颗粒与仿生壁面碰撞时的冲击动能。通过自行设计并搭建的离心风机叶片表面冲蚀测试装置，对仿生表面叶片的冲蚀磨损性能进行了测试。结果表明，V形槽形态尺寸为4 mm、形态间距为2 mm时，与光滑叶片相比，能达到约29%的抗冲蚀效果。.建立了利用红柳孔道进行环氧树脂表面仿生自修复模型，对环氧树脂冲蚀磨损表面仿生自修复性能进行了探索性研究。结果表明，红柳内部孔道立体网状互通，利用红柳和其炭化后的孔道，成功进行了环氧树脂冲蚀磨损表面的自修复。.本项目的研究结果为仿生抗冲蚀磨损部件的设计制备提供了参考，为仿生智能材料的设计制备提供了新的思路和方法。