鲨鱼皮微电铸复制工艺研究

采用微电铸技术对生物表面形貌进行直接复制以成形出与生物原型形貌相接近的仿生表面,是生物复制成形技术由高聚物成形向金属沉积成形扩展的新途径。以鲨鱼皮为生物模板,针对其表皮微形貌结构特征,通过倾斜溅射方式先在其鳞片表面沉积导电层,进而采用正负间断脉冲电流对鲨鱼皮生物模板进行微电铸复制,成形出鲨鱼皮微电铸模板及仿鲨鱼表面。复制精度分析结果表明,采用微电铸生物复制成形工艺可以实现对鲨鱼皮外端沟槽微形貌的高逼真复制,证明该工艺可以应用于微尺度、复杂生物表面形貌的直接复制。     

耕作部件耦合仿生表面结构制备方法

针对农业机械耕作部件既要提高耐磨性又要保证强度的问题,提出了一种通过构建仿生表面结构和控制工艺来设计结构/材料二元耦合仿生表面结构的方法。采用球墨铸铁制备具有仿生表面结构的耕作部件使仿生表面由高硬度白口铁构成,从而兼顾部件的耐磨性和机械性能。试验结果表明,在铸造过程中,单纯通过仿生表面结构或局部设置小型冷铁的方法,部件仿生表面结构局部均未能形成白口铁组织,而上述两种方法的结合运用,可实现仿生表面结构的白口化。分析表明,仿生表面结构可限制熔体流动,设置冷铁可提高局部过冷度,两者结合可实现耦合仿生设计。显微硬度和划痕试验表明,耦合仿生表面结构具有较高的局部硬度,相比于芯部基体,其显微硬度值平均提高了35.71%,而形成相同宽度的划痕时,其所需载荷是芯部基体的1.16倍。水润湿性试验表明,耦合仿生表面结构与芯部基体水润湿性也存在一定的差异,相比于芯部基体,其接触角增大了14.91%。此方法适用于生成具有耐磨性能且高强度的耕作部件,在保证部件机械性能的同时,可提高耐磨性和降低土壤粘附。     

基于仿生微织构的电动修剪机刀具磨损性能研究

针对普通电动修剪机刀具易磨损、崩刃等情况,设计了一种蚯蚓仿生微织构刀具,以蚯蚓体表形貌为基础,利用激光成型技术加工刀具表面微织构,研究激光成型参数对成型沟槽几何尺寸的影响;通过摩擦磨损对比试验研究了仿生微织构刀具和普通刀具的摩擦因数和磨损情况,分析仿生刀具减磨机理;通过自制剪切试验平台对不同直径龙眼树枝进行刀具剪切试验,验证仿生刀具减磨特性。研究结果表明：优化后激光成型仿生刀具的工艺参数为：激光功率75W、激光扫描速度4.8mm/s;仿生刀具微织构实际尺寸为：沟宽138.3μm,沟深33.5μm;与普通刀具相比,载荷400g下沟槽间距1.6mm时微织构仿生刀具表现出最小摩擦因数02619和体积磨损量616.70mm3,具有明显减磨特性;随载荷增加磨损机制逐渐由黏着磨损、微切削磨损向磨粒磨损和氧化磨损的复杂磨损形式转变;磨损稳定时,沟槽间距1.6mm微织构仿生刀具所需剪切次数50~55次,比普通刀具剪切次数(45~50次)高5~10次,沟槽间距1.6mm微织构仿生刀具在剪切直径10、15、20mm的树枝磨损面积稳定次数分别为35~40次、45~50次、50~55次,树枝直径越大微织构刀具抗磨效果越明显。     

溴氰菊酯液滴在蕹菜叶面的接触角滞后性分析

为探究溴氰菊酯试剂液滴在蕹菜叶片表面的接触角滞后性规律,采用纤维细度分析仪和光学接触角测量仪,观测蕹菜叶面各分割部分的形貌特征,测量溴氰菊酯液滴的表面张力、液滴增加(或减少)过程动态接触角及铺展直径等润湿参数,并依据Equation of State法对叶片表面自由能进行计算和分析。结果显示,溴氰菊酯试剂液滴的表面张力在28.92～29.18 mN/m范围内;液滴在叶面的接触角滞后性Δθ范围为7.0°～10.1°,从叶片前端到中端再到末端,接触角滞后性呈先下降后上升的变化趋势。溴氰菊酯试剂液体与蕹菜叶片的表面自由能的大小越接近,越有利于液滴在蕹菜叶面铺展。     

机械零件非光滑仿生表面加工装置创新设计

【目的】将非光滑特性应用在机械零部件表面可大幅度提升机械零部件接触表面的耐磨性,减少相对运动所带来的摩擦阻力、摩擦系数和黏附力,但目前尚无完备的加工设备能够实现对零部件表面加工出微坑使其形成非光滑表面。【方法】课题组通过分析非光滑仿生表面平整化作用、空穴减阻作用和形变减压作用的减阻机理,提出了一种机械零件非光滑仿生表面加工装置,采用结构分析、技术对比和原理研究等方法制定了机械零件表面加工装置设计方案,并对现有装置的动力机构、运动机构、加工机构、支撑机构以及夹持机构的结构形式进行了改进。【结果】该加工装置对机械零件的端面可连续加工出微坑仿生表面,并且首次可在被加工机械零件半个端面制出4个微坑,与首次加工只能形成1个或2个微坑相比,具备更加可靠的加工精度和较高的加工效率。【结论】机械零件非光滑仿生表面加工装置能够可靠固定待加工机械零件,实现精准定位导向,减少对零部件等非光滑表面加工时产生的误差,且利用此加工装置可加工出具备仿生原型结构的零部件,能够更有效延长被加工零部件的使用寿命。     

仿生几何结构表面深松铲铲尖设计与试验

深松铲在西南红壤坡耕地作业过程中,由于土壤黏附性强且板结严重,造成土壤过度扰动和耕作阻力过大的问题.采用工程仿生的技术方法,将具有减阻优异特性的克氏原螯虾和砂鱼蜥体表作为仿生原型,以深松铲铲尖为研究对象,设计仿生凸包、微刺—凸包、仿生鳞片、微刺—鳞片和微刺—凸包—鳞片混合表面5种仿生几何结构表面.通过室内土槽试验,考察...     

基于黄牛舌尖丝状乳突结构的仿生脱粒齿形设计与试验

为解决小麦机械脱粒过程中脱净率低的问题,以牛舌舌尖表面丝状乳突结构为仿生原型,开展了小麦仿生脱粒齿形设计与试验。对牛舌舌尖表面进行形貌特征观测,发现舌尖表面丝状乳突分布密度大,结构特征明显,丝状乳突的轮廓呈圆锥状,下粗上细,整体相对粗壮,尖部呈半球形,与牛舌表面呈35°～40°夹角,向口腔方向倾斜。构建"乳突-物料"接触工作界面,包括完全分离、初始接触、乳突插入物料及完全接触4个过程。基于丝状乳突结构特征参数,构建仿生齿形模型,进行单仿生齿形脱粒仿真试验,得到单仿生齿形脱粒最优参数组合:放大比例为2. 5、行进速度为15 mm/s、倾角为38°、接触位置为齿形全高度的0. 2倍处、材料为Q345碳钢。设计了仿生脱粒齿形试验部件及台架,进行仿生脱粒齿形正交试验,并对脱粒过程进行摄像分析。结果表明,仿生脱粒齿形试验部件的脱粒性能良好,脱净率介于97. 5%～99. 5%之间;最优结构参数组合为:放大比例2. 565、倾角39. 8°、脱粒间隙9. 11 mm。     

预处理对麦秸/聚丙烯复合材料摩擦磨损性能影响实验

为提高麦秸秆纤维与聚丙烯(PP)基体的界面结合力,采用复合处理法对麦秸秆纤维进行表面处理:先分别用NaOH溶液浸泡、乙酸溶液浸泡、水热处理、蒸汽爆破和微波等方法对麦秸秆纤维进行预处理,再复合偶联剂法处理麦秸秆纤维;用熔融共混、模压成型方法制备麦秸秆/PP复合材料.用体视显微镜观察了不同处理后的麦秸秆纤维微观结构,采用红外光谱技术(FTIR)研究了不同表面处理麦秸秆纤维的红外光谱,用M-2000A型磨损实验机测试了麦秸秆不同表面处理方法制备PP复合材料摩擦磨损性能,并通过扫描电子显微镜(SEM)观察分析复合材料磨损表面形貌.结果表明,NaOH、水热和蒸汽爆破处理对麦秸秆纤维表面化学成分有明显的影响;复合处理麦秸秆制备的复合材料摩擦磨损性能均优于单纯使用偶联剂处理麦秸秆制备的复合材料;复合材料的主要磨损机制为磨粒磨损和粘着磨损,水热处理和蒸汽爆破的复合材料耐磨性能较好.     

秸秆纤维增强复合板材及仿生层状研究

秸秆纤维复合板材以其原材料来源丰富、可降解、价格低廉且易加工等特点而受到人们的关注,解决了木材短缺且板材需求日益增加这一尖锐矛盾,使其逐渐成为木材的代替品.层状结构具有良好的力学、声学及热学性能.以软体动物贝壳和鞘翅类甲虫外壳的内部结构为例,研究层状仿生结构,并将仿生结构有效应用于秸秆纤维复合材料中,以此来提高复合材料的整体性能.为此,研究分析了秸秆纤维的处理方法、粘结剂类型与优缺点,以及秸秆纤维增强复合材料的成型工艺;论证了秸秆纤维复合层状仿生板材的可行性.     

基于仿生耦合功能表面的离心水泵增效机制研究

海豚特殊的皮肤结构具有减阻功能,模仿其结构,设计了一种具有实际工程应用价值的仿生耦合功能表面,将其应用到离心式水泵的叶轮表面,进行水泵增效试验研究。研究结果表明:这种仿生耦合功能表面可提高离心式水泵效率3%及以上;仿生耦合功能表面面层材料的硬度对水泵的效率影响显著。分析认为其增效机制主要在于:表面面层材料与基底材料仿生结构的耦合变形降低了叶轮流道壁面的摩擦力及吸收流体介质对叶轮进、出口湍动能的方式实现对流体介质的控制,从而降低离心泵水力损失,实现增效。     

斥水性砂土水-气形态及其对斥水-亲水转化的影响分析

处于地球表面的土壤,尤其是耕作层土壤,受外界因素影响其接触角可能会发生改变。通过试验对不同接触角的壤质砂土中的孔隙水-气形态分布状况进行研究,试验结果表明:砂土颗粒与孔隙水间的接触角增大会使表层土壤中水封闭土层厚度减小,但接触角增大到一定值后,水封闭层的厚度不再发生变化。随着接触角的增大,气封闭层的厚度不断减小。与连续固体表面不同,砂土颗粒的接触角小于90°甚至降低至36°也会出现明显的斥水现象,但随着砂土中饱和度的增大,斥水现象会消失,砂土斥水与亲水转化时对应的饱和度与水封闭向双开敞转化时对应的饱和度基本一致,因此,砂土亲水与斥水转化时对应的临界含水率与孔隙水气分布形态密切相关,通过理想模型对两种不同水-气形态下土壤的基质吸力变化分析可以发现,产生这种现象是因为当土壤由水封闭变为双开敞时,水-气交界面在液体侧的曲率中心消失(接触角小于90°),气-液界面引起的基质吸力恒为"正"。     

A Geometrical Analysis of Inclined and Tilted Spherical Plough Discs

An analysis is presented of the effect of disc geometry in relation to its areas of contact with soil at the working depth, treating the disc as a segment of a thin spherical shell. In addition, the effects of the disc angle of tilt, the disc angle of inclination to its direction of motion and the working depth are examined in detail. Shallow and deep disc concavities are considered. A presentation is made of formulae derived for disc critical angle and depth and for bearing and pressure areas of contact with the soil on vertical and horizontal planes. In addition, a study was made of the overlapping of soil working areas when adjacent discs are working in a gang arrangement. The effects of inside and outside sharpening of the circumferential edge of the disc are also examined.For the practical range of tilt angle (15° to 25°) and disc angle (35° to 55°) it is shown that the bearing area of the rear spherical area of discs is zero, so there is no soil contact with the rear surface of the disc. The vertical pressure area is only slightly affected by tilt angle and there is little difference for the two disc concavities. Disc angle and working depth have significant effects on this area. The horizontal presssure area is not affected by disc angle over its practical range. It has larger values for the 81 mm concavity than for the 51 mm concavity and is significantly influenced by tilt angle and working depth. Discs working in a gang, have overlapping of the areas of soil cut for disc angles and spacings (180 to 300 mm) adopted in practice. The area cut by an individual disc is not markedly affected by disc angle. Inside and outside sharpening does not significantly affect the overall findings concerning critical disc parameters. The flat bevelled surface formed by outside sharpening will generally be in contact with soil over the practical range of tilt and disc angles.     

东方蝼蛄体表形态与润湿性

利用扫描电镜分析了东方蝼蛄(Cryllotalpa orientalis Burmeister)前胸背板、腹部、翅膀和足部的体表形态,测定了东方蝼蛄体表刚毛的覆盖密度和尺寸.在OCA20型接触角测量仪上测量了水与东方蝼蛄体表各部位的接触角,分析了东方蝼蛄体表几何微结构与润湿性的关系.研究表明,东方蝼蛄前胸背板、覆翅、腹部、足、膜翅的刚毛覆盖密度分别为40.32%、31.82%、23.89%、19.11%、14.17%,水与东方蝼蛄体表各部位的接触角平均值为110.8°～141.5°,表现出很高的疏水性能.东方蝼蛄体表刚毛形成的几何结构表面与刚毛的高疏水性能的综合作用是其体表不沾土壤和水的重要机理.     

微纳米气泡增氧灌溉技术在水稻灌区节水减排中的应用研究

以离式螺旋微气泡泵为微纳米气泡发生装置,对比研究了微纳米气泡增氧灌溉技术在双季稻灌区节水减排中的应用效果。结果表明,微纳米气泡增氧灌溉技术可以减少灌水量、排水量和耗水量,提高降雨利用率和灌溉水利用率,从而有效减少氮磷地表径流排放量。与常规水灌溉处理相比,早、晚稻采用微纳米气泡增氧灌溉技术分别节水(灌水量)7.44%和4.46%,降雨利用率分别提高5.92%和4.28%,灌溉水利用效率分别提高13.36%和10.54%,总氮排放量分别减少8.36%和8.12%,总磷减少27.5%和27.27%。     

不同硬脂酸添加量下大豆分离蛋白/海藻酸钠膜特性研究

为改善大豆分离蛋白/海藻酸钠复合膜的耐水性,通过添加不同添加量（0、2%、4%、6%、8%、10%）硬脂酸制备大豆分离蛋白/海藻酸钠/硬脂酸三元复合膜,探究硬脂酸对大豆分离蛋白/海藻酸钠复合膜的机械性能、阻水性能和微观结构的影响,最终明确不同硬脂酸添加量对耐水性变化的影响规律。结果表明：与大豆分离蛋白/海藻酸钠二元复合膜相比,添加6%和8%硬脂酸后,复合膜的断裂伸长率、水蒸气透过率显著下降,并且对其含水率及水溶性也有显著影响。当硬脂酸添加量为8%时,三元复合膜的水蒸气渗透性最低,水蒸气透过系数为（2.95±0.49） g·mm/（m²·h·kPa）,接触角最大,为91.68°±9.02°。通过傅里叶变换红外光谱和扫描电子显微镜分析可知,大豆分离蛋白和海藻酸钠通过共价交联形成网络结构,加入的硬脂酸则分布在网络结构的缝隙中,当硬脂酸添加量为8%时,膜的表面较为光滑平整,内部结构致密,能够形成良好的网络结构,键与键之间结合较强,能有效提高复合膜的阻水性能。     

粗糙面变形特性对摩擦温度与接触压力的影响

在考虑微凸体间的相互作用及摩擦界面摩擦热流耦合等影响基础上,建立一具有三维分形特性粗糙表面/理想平面接触的热力耦合模型,运用有限元软件ANSYS中的非线性有限元多物理场方法,数值模拟并分析了弹性粗糙实体/理想平面刚性体(E/R)、弹塑性粗糙实体/理想平面刚性体(P/R)的摩擦滑动过程,揭示了粗糙表面不同变形特性下粗糙实体摩擦热、接触压力与接触面积的变化规律。发现在匀速滑动过程中,摩擦表面最高接触温度在波动中缓慢上升,而最大接触压力和接触面积则在一定范围内波动。弹性接触(E/R)中接触压力、摩擦温度比弹塑性接触(P/R)大,而接触面积则小很多。在分析摩擦过程中粗糙实体热、力问题时,考虑粗糙接触体的弹塑性变形对结果有较大的影响。     

东方蝼蛄膜翅表面形态与润湿性

利用扫描电镜分析了东方蝼蛄膜翅的表面形态.在OCA20型接触角测量仪上测量了水与东方蝼蛄膜翅展开表面各部位的接触角,分析了东方蝼蛄膜翅表面几何微结构与润湿性的关系.研究表明,东方蝼蛄膜翅展开后各部位的几何微结构各不相同,水与东方蝼蛄膜翅展开表面各部位的接触角平均值为94.4°～118.6°,表现出疏水性能.东方蝼蛄膜翅表面几何微结构与疏水性能的综合作用是其折叠后表面不沾土壤和水的重要机理.     

打结嘴缠绳故障分析与曲面形态改进设计

针对打结嘴绕扣过程出现的缠绳故障问题,应用虚拟打结方法,分析夹绳盘搭绳点位置与打结嘴凸台倾角对绕扣与钳咬动作的影响,得出夹绳盘搭绳点偏差是打结嘴发生缠绳故障的主要因素,减小打结嘴凸台倾角有利于避免打结嘴缠绳故障。通过受力分析建立捆绳不沿打结嘴凸台曲面向上滑动的临界条件,获得改进的打结嘴凸台倾角。基于边界相似与B样条曲面造型方法重构打结嘴凸台曲面,获得改进的打结嘴模型。600次打结试验表明,凸台倾角50°的打结嘴模型具有更好限制捆绳沿打结嘴凸台曲面上滑的效果,能有效防止打结嘴缠绳故障发生,提高打结器的打结可靠性,可为打结嘴的改进设计提供参考。60°凸台倾角的打结嘴绕扣,夹绳盘搭绳点偏差应控制在±3°之内,而50°凸台倾角的打结嘴允许夹绳盘搭绳点偏差范围在[-4.5°,3°],可为夹绳盘搭绳点位置控制提供参考。     

Water use and plant response in two rice irrigation methods

Pin-Point (PP) irrigation is being used by rice producers in the southern US to suppress red rice (Oryza sativa), the major weed in rice production. In PP irrigation, germinated seed is dropped into the floodwater. After 24 h the field is drained, remains moist for 3 to 5 days, then reflooded until near harvest. Little is known about water use of the PP method in comparison to the conventional Flush-Flood (FF) method in which germinated seed is also dropped into the floodwater and the field is drained after 24 h, similar to PP, or the field is drill-seeded, flooded and drained, but permanent flood is delayed for 30 to 35 days. During this 30 to 35 days non-flood period, flushing (periodic irrigation) is used to maintain seedling contact with the soil and prevent water stress. Water use of PP and FF irrigated rice was studied during 1994 and 1995 growing seasons near Beaumont, TX. Three plots were subjected to the PP irrigation technique and three to the FF method. A flow meter measured irrigation water applied, and lysimeters measured evapotranspiration, transpiration, and evaporation. The FF method required an average of 113 mm more irrigation water than the PP method, due to flushing of FF plots during the non-flood period. Evapotranspiration (ET) was higher for PP plots during the period when FF plots were dry. During the flood period, ET in FF plots was higher than in PP plots in 1994, due to mainly a lower leaf area index and a more open canopy which led to greater evaporation from the water surface. No differences in ET were found in 1995. Stomatal conductance was lower in FF plots during the non-flood period, indicating some degree of water stress. Irrigation method did not affect yield, but the PP method reduced time to 100% heading by 5 to 7 days. These results suggest that the PP method can be useful not only to suppress red rice, but also to save water and produce an earlier maturing crop. Early maturity is particularly important in areas where ratoon cropping is practiced.