材料表面减阻的研究进展

材料表面减阻的研究进展

石鹏翔张显王明远于守武*

华北理工大学材料科学与工程学院唐山063000

摘要：随着各国商业贸易往来越加频繁，海上贸易便成了重要的一环，其中海上运输显得尤为重要，海上运输的优势便是大吨量运输及在价钱方面极具性价比。同时，运输途中的能源消耗问题更是人们所不能忽略的，兼顾速度与载重问题，排除发动机动力问题，如何降低船只在海面行驶途中的阻力便是人们的下一个考虑方向，表面减阻于是变成了一个研究和发展的方向，本文主要通过研究仿生减阻在实际应用上的现状进而对其原理及进展和发展发现进行探讨和阐述。

关键词：仿生减阻；水黾；等离子体处理技术

1引言

从仿鲨鱼皮表面结构入手，次之辅以超疏水表面结构对表面减阻的作用，首先我们讲表面减阻应从表面三要素入手：表面化学成分、表面结构、表面粗糙度。游速高达60Km/h的鲨鱼等水下低阻动物表皮为仿生减阻表面研究提供了丰富的构型资源。鲨鱼表面主要是其表面盾鳞结构在表面结构方面，同时水黾表面的超疏水结构方向，回顾之前在仿生减阻方面的实际应用，总结了仿生表面减阻的研究现状及进展。

2表面减阻应用

表面减阻应用于船体航海，需要克服：兴波阻力、涡流阻力、摩擦力。目前有的方法有微气泡减阻法、柔性壁法、升温法、表面改性等[1]。

在减阻方面的研究倾向于光滑表面更有利于减阻效果，然而在对鲨鱼表面结构（如图1、2）的研究中发现，其表面并不是光滑的，而是由粗糙的类圆谷形状的盾鳞结构覆盖，沟槽方向与运动方向平行，盾鳞结构的沟槽可以一定程度的起到稳定表面层紊乱水流的作用，减小湍流的影响，起到减小阻力的作用。沟槽间距很小，尽管鲨鱼体积庞大，细小的盾鳞结构其沟槽宽度远小于涡流宽度，从而在表面接触时可大幅度减小横向涡流的大小来降低涡流对其沟槽内壁对其产生的剪切压力。

图1鲨鱼皮生物模板SEM图片图2鲨鱼皮复刻模板SEM照片

在2014年左右，哈佛大学实验室利用了新兴的3D打印技术对鲨鱼皮表面进行了更精确的复刻，不仅仅局限在微小盾鳞结构的精细复刻，更是利用3D技术将盾鳞结构在柔软表面进行了多种排列方式来测试减阻效果取得了一定成就[2]。

但就实际大的工程上面来说直，接考虑沟槽结构的实际作用，小的沟槽表面对水流横向剪切压力的削弱。主要有两种理论：第二次涡流理论和高度差理论，第二次涡流认为顺向水流产生两次涡流导致产生了向上抬升的力，降低了涡流的阻碍强度。高度差理论的发展首先忽略了横向接触力的作用，在后面发展的尖峰高度差理论，便详细阐述了尖峰对横向涡流的削弱作用，从而导致底部为大部分的水流只有一小部分被黏流阻滞，降低了阻力。针对沟槽结构的加工制备比较有代表性的方法有微沟槽滚压制备技术、磨削加工，以及准LIGA技术等。

图3超疏水表面涂层制备过程

超疏水表面减阻[3]制备过程如图3，通过制作低表面能表面，减小表面与水分子的黏附作用力来减小阻力的作用是另外一个方向，应用到实际表面制作中一般分为两步，首先构筑粗糙微纳结构，然后进行低表面能改性。就在超疏水表面潜水艇减阻研究中就是使用的两步法，应用的是简单的高分子表面黏附技术，首先制备聚二甲基硅氧烷（PDMS），预聚体与黏着混合物，第二部便是直接控制时间温度压强等外界因素进行表面黏附，实验结果证明减阻效果良好。

有专家发明了简单的一步浸入法来制备高分子超疏水表面，选取铜合金板作为基板，铜合金板依次在丙酮，乙醇和去离子水中清洗，清洗后室温下将板材浸入装有NaOH，（NH4）2S2O8的烧杯20分钟，然后取出用去离子水清洗，再将样品浸入0.01摩尔全氟辛酸水溶液中８分钟，最后在110℃下干燥30分钟，成功制备了超双疏的表面。进行的减阻试验表明：超疏水表面具有良好的减阻效果，低壁面剪切速度下减阻率达到40％，高壁面剪切速度下减阻率达到20%，减阻效果与流体的流速有关，流速变大，减阻效果相对减小[4]。

3展望

鲨鱼皮的仿生表面减阻中对其表面盾鳞结构的复刻以及沟槽处理的研究在航体航行中起到了显著的效果，同时在超疏水表面减阻的方向也得到了启发。在模型铸造方面，比如仿盾鳞结构复刻时使用3D打印技术来塑造更加精细的表面结构，又比如在超疏水表面处理过程中考虑不同的基体对表面改性的兼容效果导致最后对减阻效果的影响，最后将多种表面减阻方法使用在一起，比如表面微气泡结构和沟槽结构的组合效果。

参考文献：

［1］马付良，曾志翔，高义民，等.仿生表面减阻的研究现状与进展

［2］韩鑫，张德远，李翔，等．大面积鲨鱼皮复制制备仿生减阻表面研究

［3］宋保维，郭云鹤，胡海豹，等．微结构超疏水表面减阻特性数值研究

［4］吕田，超疏水表面润湿性与流动减阻机理研究

*通讯作者：于守武