&

仿生減阻材料表界面設(shè)計研究獲進展

2017-03-30 13:41:48 作者：本網(wǎng)發(fā)布來源：中國科學(xué)院寧波材料技術(shù)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(jié)構(gòu)將減阻與防污性能發(fā)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(gòu)化結(jié)構(gòu)；其自身分泌粘液驅(qū)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(dān)的國家自然科學(xué)基金重點項目“海洋航體表面設(shè)計與仿生減阻機理（51335010）”支持下，中國科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所海洋新材料與應(yīng)用技術(shù)重點實驗室和中國科學(xué)院蘭州化學(xué)物理研究所固體潤滑國家重點實驗室合作，在表面微結(jié)構(gòu)、表面能對水阻的影響機制方面進行了系統(tǒng)的研究。利用3D打印技術(shù)獲得了具有仿鯊魚皮結(jié)構(gòu)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(fā)現(xiàn)水流在鯊魚皮微結(jié)構(gòu)中會形成微渦流；當(dāng)微結(jié)構(gòu)的寬度和深寬比達到一定值時，產(chǎn)生的微渦流能有效降低水流的摩擦阻力。根據(jù)理論和實驗數(shù)據(jù)，提出了微渦流減阻機理；基于微渦流減阻機理，設(shè)計了具有微孔結(jié)構(gòu)的親水涂層，實現(xiàn)了10%左右的減阻效果。

640
▲ 高速攝像觀察的微渦流現(xiàn)象

另外，受海洋生物表皮粘液減阻的啟發(fā)，實驗室利用電沉積（ACS Appl. Mater. Interfaces, 2014, 6 （2） pp 1053-1060）和水熱法，在網(wǎng)狀金屬表面制備親油疏水微納織構(gòu)，并通過織構(gòu)對半固態(tài)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）。

640

基于以上研究結(jié)果，項目組設(shè)計了低阻力水上溢油回收裝置，實現(xiàn)在水上高效的溢油回收（ACS Appl. Mater. Interfaces, 2015, 7 （47）， pp 26184-26194）；通過編織等技術(shù)設(shè)計的低表面能微織構(gòu)蒙皮，正在快艇等裝備上進行長時間現(xiàn)場測試。

640
▲ 低阻力溢油回收裝置