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仿生減阻材料表界面設計研究獲進展

2017-03-30 13:41:48 作者：本網發布來源：中國科學院寧波材料技術與工程研究所分享至：

海洋生物如鯊魚、海豚等可以在極低阻力下快速游動，且身體不被其他海洋生物、微生物所附著，其身體機能與自身結構將減阻與防污性能發揮得淋漓盡致。海洋生物的游行阻力低主要由于以下幾方面因素：身體具有流線型且表皮具有織構化結構；其自身分泌粘液驅趕附著生物，同時降低運動過程中水的剪切力。

在中國工程院院士薛群基承擔的國家自然科學基金重點項目“海洋航體表面設計與仿生減阻機理（51335010）”支持下，中國科學院寧波材料技術與工程研究所海洋新材料與應用技術重點實驗室和中國科學院蘭州化學物理研究所固體潤滑國家重點實驗室合作，在表面微結構、表面能對水阻的影響機制方面進行了系統的研究。利用3D打印技術獲得了具有仿鯊魚皮結構的平板試樣，通過計算模擬、流場分析和微型水洞實驗測試，發現水流在鯊魚皮微結構中會形成微渦流；當微結構的寬度和深寬比達到一定值時，產生的微渦流能有效降低水流的摩擦阻力。根據理論和實驗數據，提出了微渦流減阻機理；基于微渦流減阻機理，設計了具有微孔結構的親水涂層，實現了10%左右的減阻效果。

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▲ 高速攝像觀察的微渦流現象

另外，受海洋生物表皮粘液減阻的啟發，實驗室利用電沉積（ACS Appl. Mater. Interfaces, 2014, 6 （2） pp 1053-1060）和水熱法，在網狀金屬表面制備親油疏水微納織構，并通過織構對半固態石蠟進行儲存，獲得的類粘液覆蓋表層，其減阻效果可達到30%以上（Scientific Reports 7, Article number: 40038 （2017） doi:10.1038/srep40038）。

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