仿生表面減阻的研究現(xiàn)狀與進(jìn)展

馬付良，曾志翔，高義民，等

摘要：目的：船舶、艦艇、魚雷等海中航行體在海洋經(jīng)濟(jì)建設(shè)和海洋國(guó)防中發(fā)揮著重要作用。航行體的運(yùn)行速度和能量消耗率是評(píng)價(jià)其性能的重要指標(biāo)，運(yùn)行速度決定著航行體的性能，能量消耗率決定著航行體的續(xù)航能力和運(yùn)行成本。而航行體的運(yùn)行速度和能量消耗率除了與發(fā)動(dòng)機(jī)效率相關(guān)外，其最主要的影響因素就是航行體在海水中行駛的阻力。在多種減阻技術(shù)中，仿生技術(shù)具有減阻效果好、可設(shè)計(jì)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)而得到了廣泛的關(guān)注。本文對(duì)表面仿生減阻的發(fā)展現(xiàn)狀進(jìn)行了綜述，重點(diǎn)關(guān)注仿鯊魚皮結(jié)構(gòu)減阻和仿生超疏水表面減阻，期望對(duì)仿生表面減阻未來(lái)的發(fā)展提供借鑒。方法：海中航行體運(yùn)行過(guò)程當(dāng)中需要克服的阻力包括：（1）興波阻力；（2）渦流阻力；（3）摩擦阻力。其中，興波阻力由船速和海上風(fēng)浪決定，不可控制；渦流阻力主要與航行體的流線型設(shè)計(jì)相關(guān)，且占比例較??；摩擦阻力對(duì)航行體的速度和能耗有著重要影響且可通過(guò)表面設(shè)計(jì)進(jìn)行控制。減少航行體海水行進(jìn)阻力是提高航行速度和降低能耗率的關(guān)鍵。結(jié)果：現(xiàn)有的減阻方法包括：（1）減小S，即降低固-水實(shí)際接觸面積的微氣泡減阻法。（2）減小 τ，即降低摩擦剪切應(yīng)力?？蓮膬煞矫嬷郑海?）減少湍流的產(chǎn)生來(lái)控制邊界層的柔性壁法和升溫法；（2）降低邊界層最底層水流的速度，即降低航行體表面與水的結(jié)合力的低表面能涂層法。（3）仿生減阻：以在海水中游行速度較快的鯊魚為啟發(fā)，根據(jù)其表面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)減阻表面。鯊魚皮有以下幾個(gè)特征：表皮具有一定形狀溝槽織構(gòu)，表皮分布著一定的油脂。根據(jù)鯊魚表皮特征發(fā)展而得到的技術(shù)為溝槽減阻技術(shù)。仿鯊魚皮減阻主要分為兩種形式。一種是直接復(fù)刻鯊魚皮的表面盾鱗結(jié)構(gòu)，方法主要包括熱壓印法，微電鑄法及軟刻技術(shù)。另外一種就是仿鯊魚皮的盾鱗結(jié)構(gòu)來(lái)設(shè)計(jì)制備溝槽，方法主要有微溝槽滾壓制備技術(shù)，磨削加工技術(shù)及準(zhǔn)LIGA（Lithographie，Galvanoformung，Abformung）技術(shù)。受荷葉出淤泥而不染，水黽可以在水面上自由快速跳動(dòng)而不沾濕身體的超疏水現(xiàn)象的啟發(fā)，發(fā)展了仿生超疏水減阻技術(shù)。超疏水表面的構(gòu)筑一般分為兩步，首先是在不同的基體上創(chuàng)建微納粗糙結(jié)構(gòu)，然后對(duì)粗糙結(jié)構(gòu)進(jìn)行低表面能改性。結(jié)論：基于目前國(guó)內(nèi)外科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，以及對(duì)現(xiàn)有減阻技術(shù)的總結(jié)和分析，仿生表面減阻未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)有以下3點(diǎn)：首先，隨著3D打印技術(shù)（也稱增材制造）的發(fā)展成熟，未來(lái)可用3D打印技術(shù)制備仿生溝槽表面，利用3D打印技術(shù)實(shí)現(xiàn)表/界面微觀結(jié)構(gòu)的調(diào)控。其次，目前的仿生減阻方面的工作大多是用一種單一的減阻方法，未來(lái)的研究會(huì)從單一的減阻方式向多種減阻方式協(xié)同作用進(jìn)行。將多種減阻方法有機(jī)的結(jié)合在一起，通過(guò)減阻方法的匹配、參數(shù)控制等達(dá)到減阻效果的增強(qiáng)，將是未來(lái)研究的一個(gè)重要趨勢(shì)。此外，目前對(duì)于減阻的研究還主要集中在減阻效果的研究上，對(duì)于減阻機(jī)理揭示方面的研究還很欠缺，隨著粒子成相測(cè)速（PIV）系統(tǒng)的愈發(fā)成熟，航行體運(yùn)行時(shí)的流場(chǎng)情況可以很清晰的觀察，對(duì)于揭示減阻機(jī)理非常有利，未來(lái)的研究會(huì)越來(lái)越重視對(duì)于減阻機(jī)理方面的探索。

來(lái)源出版物：中國(guó)表面工程, 2016, 29(1): 7-15

入選年份：2016

純鎂超聲微弧氧化-HF-Na2SiO3復(fù)合處理對(duì)生物涂層的影響

李慕勤，劉江，蔡丁森，等

摘要：目的：為調(diào)控純鎂微弧氧化生物涂層的降解速度和生物活性，考慮生物材料植入人體后，其生物學(xué)性能主要由人體組織和體液等與材料表面的相互作用相關(guān)因素。本文針對(duì)純鎂微弧氧化涂層貫穿孔隙和活性不足問(wèn)題，采用超聲微弧氧化-浸漬處理方法，期望通過(guò)對(duì)純鎂超聲微弧氧化涂層進(jìn)行后處理，提高其耐蝕性和生物活性，解決涂層貫穿孔隙及純鎂微弧氧化膜主相 MgO生物活性弱這一問(wèn)題。方法：選用純鎂材料（鎂含量為99.9Wt%），微弧氧化電解液在60 KHZ的超聲波頻率和超聲功率50 W環(huán)境中，微弧氧化電壓為300 V，脈沖頻率為500 HZ，占空比為2.5%，氧化時(shí)間10 min，陰陽(yáng)極間距離40 mm，利用超聲波的機(jī)械效應(yīng)、熱效應(yīng)及空化效應(yīng)的共同作用，促進(jìn)微弧氧化過(guò)程中的各種反應(yīng)，形成的涂層（簡(jiǎn)稱為UMAO）。分別對(duì)UMAO涂層分別進(jìn)行 Na2SiO3（簡(jiǎn)稱為 UMAO-Na2SiO3）和 HF-Na2SiO3（簡(jiǎn)稱為UMAO-HF-Na2SiO3）浸漬處理，通過(guò)掃描電子顯微鏡（SEM）、X射線衍射儀（XRD）、涂層附著力自動(dòng)劃痕儀、銷盤式摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)及電化學(xué)腐蝕工作站等對(duì)不同涂層進(jìn)行檢測(cè)分析，研究?jī)煞N后處理工藝對(duì)超聲微弧氧化膜組織結(jié)構(gòu)和性能的影響。結(jié)果：從不同涂層的表面與斷面觀察，UMAO涂層表面均勻分布著微孔，斷面存在貫穿孔隙，成為體液浸蝕基體的通道；UMAO-Na2SiO3涂層微孔變小，但封閉效果不明顯；而UMAO-HF-Na2SiO3涂層表面微小孔幾乎全部被填充，涂層斷面致密層增厚，無(wú)貫穿孔隙存在，阻斷體液浸蝕。純鎂UMAO涂層的主要相結(jié)構(gòu)為Mg、MgO和MgSiO3，而 UMAO-Na2SiO3和 UMAO-HF-Na2SiO3涂層有新相SiO2生成，并使生物相容性好的MgSiO3相得到提高；UMAO-HF-Na2SiO3涂層還生成了生物相容性好的新相MgF2。UMAO涂層結(jié)合力為4.6 N，摩擦系數(shù)1.1；UMAO-Na2SiO3和UMAO-HF-Na2SiO3涂層結(jié)合力分別為7.0 N和7.6 N，摩擦系數(shù)分別為0.8和0.7。與UMAO涂層相比，UMAO-Na2SiO3和 UMAO-HF-Na2SiO3涂層的自腐蝕電位分別提高了17 mV和51 mV，而自腐蝕電流密度均降低一個(gè)數(shù)量級(jí)。結(jié)論：UMAO涂層經(jīng)Na2SiO3和 HF-Na2SiO3浸漬處理制得的涂層孔隙填充更好，并有生物活性優(yōu)異的新相產(chǎn)生，兩種處理制得的涂層均與基體結(jié)合良好，耐蝕性能均得到提高，其中，UMAO-HF-Na2SiO3涂層無(wú)貫穿孔隙存在，并有生物相容性好的新相MgF2生成，耐蝕性能優(yōu)異，綜合性能更佳。

來(lái)源出版物：中國(guó)表面工程, 2014, 27(3): 50-56

入選年份：2016