機械制造工藝與設備

仿生表面減阻的研究現(xiàn)狀與進展

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)濟建設和海洋國防中發(fā)揮著重要作用。航行體的運行速度和能量消耗率是評價其性能的重要指標，運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)航能力和運行成本。而航行體的運行速度和能量消耗率除了與發(fā)動機效率相關外，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、可設計性強等優(yōu)點而得到了廣泛的關注。本文對表面仿生減阻的發(fā)展現(xiàn)狀進行了綜述，重點關注仿鯊魚皮結(jié)構(gòu)減阻和仿生超疏水表面減阻，期望對仿生表面減阻未來的發(fā)展提供借鑒。方法：海中航行體運行過程當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浪決定，不可控制；渦流阻力主要與航行體的流線型設計相關，且占比例較小；摩擦阻力對航行體的速度和能耗有著重要影響且可通過表面設計進行控制。減少航行體海水行進阻力是提高航行速度和降低能耗率的關鍵。結(jié)果：現(xiàn)有的減阻方法包括：（1）減小S，即降低固-水實際接觸面積的微氣泡減阻法。（2）減小 τ，即降低摩擦剪切應力?？蓮膬煞矫嬷郑海?）減少湍流的產(chǎn)生來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)設計減阻表面。鯊魚皮有以下幾個特征：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)來設計制備溝槽，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)，然后對粗糙結(jié)構(gòu)進行低表面能改性。結(jié)論：基于目前國內(nèi)外科學技術(shù)的發(fā)展，以及對現(xiàn)有減阻技術(shù)的總結(jié)和分析，仿生表面減阻未來的發(fā)展趨勢有以下3點：首先，隨著3D打印技術(shù)（也稱增材制造）的發(fā)展成熟，未來可用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，未來的研究會從單一的減阻方式向多種減阻方式協(xié)同作用進行。將多種減阻方法有機的結(jié)合在一起，通過減阻方法的匹配、參數(shù)控制等達到減阻效果的增強，將是未來研究的一個重要趨勢。此外，目前對于減阻的研究還主要集中在減阻效果的研究上，對于減阻機理揭示方面的研究還很欠缺，隨著粒子成相測速（PIV）系統(tǒng)的愈發(fā)成熟，航行體運行時的流場情況可以很清晰的觀察，對于揭示減阻機理非常有利，未來的研究會越來越重視對于減阻機理方面的探索。

來源出版物：中國表面工程, 2016, 29(1): 7-15

入選年份：2016

純鎂超聲微弧氧化-HF-Na2SiO3復合處理對生物涂層的影響

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因素。本文針對純鎂微弧氧化涂層貫穿孔隙和活性不足問題，采用超聲微弧氧化-浸漬處理方法，期望通過對純鎂超聲微弧氧化涂層進行后處理，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%，氧化時間10 min，陰陽極間距離40 mm，利用超聲波的機械效應、熱效應及空化效應的共同作用，促進微弧氧化過程中的各種反應，形成的涂層（簡稱為UMAO）。分別對UMAO涂層分別進行 Na2SiO3（簡稱為 UMAO-Na2SiO3）和 HF-Na2SiO3（簡稱為UMAO-HF-Na2SiO3）浸漬處理，通過掃描電子顯微鏡（SEM）、X射線衍射儀（XRD）、涂層附著力自動劃痕儀、銷盤式摩擦磨損試驗機及電化學腐蝕工作站等對不同涂層進行檢測分析，研究兩種后處理工藝對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數(shù)量級。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。

來源出版物：中國表面工程, 2014, 27(3): 50-56

入選年份：2016