超疏水表面水下減阻研究進展

任劉珍，胡海豹，宋保維，潘 光，黃橋高

（西北工業(yè)大學 航海學院，陜西 西安 710072）

0 引言

隨著海洋開發(fā)和海防形勢的變化，我國海洋利用區(qū)域不斷向深海、遠海延伸，突破遠航程技術(shù)迫在眉睫[1-2]。減阻是實現(xiàn)船舶和航行器遠航程的一條重要技術(shù)途徑。根據(jù)理論推算，將航行體阻力減小10%，在能源和航速等條件不變的情況下，航程可增加11.1%[1]。已有水下減阻技術(shù)包括超空泡、溝槽表面、柔性壁面、超疏水表面、微氣泡、高分子添加劑等[3-5]。

超疏水表面減阻方法可采用表面修飾或噴涂技術(shù)，通過在船舶和航行器外表面形成具有特定疏水微結(jié)構(gòu)層，來實現(xiàn)水下減阻，具有簡便、經(jīng)濟及海洋防污功能的優(yōu)點，在海洋工程等相關(guān)領(lǐng)域潛在應(yīng)用廣泛[4,6-7]。本文在介紹超疏水表面潤濕特性的基礎(chǔ)上，綜述了超疏水表面水下減阻的研究現(xiàn)狀，并總結(jié)出超疏水表面氣液界面穩(wěn)定維持的技術(shù)途徑。最后，展望了超疏水表面水下減阻研究的重點方向。

1 超疏水表面潤濕特性

波恩大學植物學家Barthlott[8]最早發(fā)現(xiàn)荷葉微米級非光滑表面的超疏水自清潔效應(yīng)——“荷葉效應(yīng)”。此外，蝴蝶翅膀、水黽腿部、蚊子復眼等動物表面也具有類似超疏水特性[9-10]。固體壁面的潤濕狀態(tài)主要取決于液體屬性和壁面表面能、微形貌等。一般采用靜態(tài)接觸角θ來表征壁面潤濕性，通常將θ＜90°的表面稱為親水表面，其中θ＜5°的表面稱為超親水表面；而θ＞90°的表面稱為疏水表面，當θ＞150°時對應(yīng)的固體表面稱為超疏水表面。如圖 1所示，圖 1（b）、1（c）、1（d）中，白色表示氣體，藍色表示液體，灰色表示固體。接觸角與固氣、固液、氣液的表面張力符合楊氏（Young）方程[11]：

式中，γsg、γsl、γlg分別表示固氣、固液、氣液的表面張力。

圖1 不同表面液滴接觸形態(tài)Fig. 1 Contact state of a water droplet on various surfaces

當液滴在傾斜表面靜止時，液滴前端和尾端的接觸角并不相等。逐漸增大壁面傾斜角使液滴處于臨界滑動狀態(tài)時，液滴前端的接觸角稱為前進角，液滴尾端的接觸角稱為后退角，二者之差稱為接觸角滯后。一般超疏水表面的接觸角大于 150°，接觸角滯后小于5°。

實際固體表面往往具有一定的粗糙度，液滴在具有單級微結(jié)構(gòu)粗糙表面上的潤濕狀態(tài)可分為2種[6]：1）微結(jié)構(gòu)阻止水侵入其空隙中，從而在固液之間形成間斷的氣液界面，對應(yīng)為Cassie狀態(tài)，如圖 1（c）所示；2）微結(jié)構(gòu)頂部氣液界面被破壞，水侵入微結(jié)構(gòu)間的空隙中，對應(yīng)為Wenzel狀態(tài)，如圖1（d）。超疏水表面具有極低表面能和粗糙微結(jié)構(gòu)2個特點，其制備主要通過2種途徑：1）在具有較高表面能的粗糙表面上進行低表面能物質(zhì)的修飾；2）在低表面能壁面上構(gòu)建微觀粗糙結(jié)構(gòu)。目前，科研人員已發(fā)展出一系列制備方法，并將超疏水表面應(yīng)用于水下減阻等研究領(lǐng)域[4,7]。

2 超疏水表面水下減阻研究現(xiàn)狀

2.1 國外研究現(xiàn)狀

超疏水表面減阻研究可追溯至上世紀末。1999年，Watanabe等[12]通過測量內(nèi)壁涂覆疏水性氟烷烴的圓管和方管內(nèi)的速度剖面與壓降，發(fā)現(xiàn)層流狀態(tài)時可減阻14%。隨后，Tretheway等[13]在超疏水微通道試驗中發(fā)現(xiàn)，在有減阻的超疏水壁面上存在明顯壁面滑移現(xiàn)象，滑移速度占主流速度10%，并認為壁面滑移是其減阻的主因。2004年，Min等[14]采用直接數(shù)值模擬方法（DNS），進一步研究了湍流條件下滑移對減阻的影響。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，流向滑移會造成流場中渦量減小，阻力降低；但施加展向滑移時表現(xiàn)為增阻?？梢姡杷砻嫔袭a(chǎn)生的滑移效應(yīng)是其減阻的主要成因。

在超疏水表面滑移流動機理研究方面，Rothstein等[15]在提取氣液界面輪廓基礎(chǔ)上（如圖2（a）所示），于2005年[16]采用micro-PIV技術(shù)，對Re＜1 000時超疏水微通道內(nèi)層流流動進行了細致測試。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，超疏水表面存在的氣液界面是產(chǎn)生滑移現(xiàn)象和減阻的主因；且在氣液界面中心處滑移速度可達主流平均速度的 60%，如圖 2（b）所示。2009年，Rothstein等[17]對湍流狀態(tài)下超疏水表面的模擬指出，超疏水表面存在的氣液界面能產(chǎn)生可觀滑移速度，最高可達主流平均速度的75%，最大預期減阻量達40%。2016年，Hokmabad等[18]通過測試超疏水表面有無氣膜時的流場特性，再次證實穩(wěn)定的氣液界面能產(chǎn)生壁面滑移現(xiàn)象。因此，保持穩(wěn)定的氣液界面是產(chǎn)生可觀滑移的前提條件。

圖2 超疏水表面氣液界面輪廓及速度測試結(jié)果 [15-16]Fig. 2 Air-water interface and velocity profile of the superhydrophobic surfaces

受流速、水壓等因素影響，超疏水表面的氣液界面容易失穩(wěn)、破壞。2006年，Truesdell等[19]測試了低雷諾數(shù)條件下（Re為1.5～75）超疏水矩形微槽型圓柱轉(zhuǎn)子附近的流場，發(fā)現(xiàn)當表面張力不足以阻止液體潤濕超疏水微槽時，氣液界面（Cassie狀態(tài)）會消失。2013年，Aljallis等[20]在超疏水平板拖曳水池試驗中發(fā)現(xiàn)，過渡狀態(tài)時（105＜ReL＜106），壁面上氣膜層可以存留，減阻約30%；但湍流狀態(tài)下（106＜ReL＜107），氣膜消失，阻力增大。Dilip等[21]在 2015年測試了不同壓強條件下超疏水表面氣液界面的形態(tài)和管道的壓降。結(jié)果顯示，負壓條件下，氣液界面會從凹坑中生長并外凸至流動剪切破壞，壓降先增加后趨于穩(wěn)定，呈現(xiàn)增阻（圖 3（a））；正壓條件下，氣液界面逐漸縮小，壓降先降低后增加，呈現(xiàn)減阻（圖 3（b））。2017年，Hokmabad等[22]利用高分辨率 PIV技術(shù)研究了不同狀態(tài)下超疏水微結(jié)構(gòu)表面氣液界面的變化規(guī)律。測試發(fā)現(xiàn)，低雷諾數(shù)和過飽和狀態(tài)水有利于延長超疏水表面氣膜的壽命，而水中微粒的添加會降低其壽命，縮短幅度甚至高達 50%。由此可見，疏水表面的氣液界面受外界因素影響容易失穩(wěn)破壞，致使超疏水表面減阻降低甚至失效。

圖3 不同壓力條件下氣液界面形態(tài)及對應(yīng)壓降變化[21]Fig. 3 Air-water interfacial state and corresponding pressure drop variation under different pressure conditions

2.2 國內(nèi)研究現(xiàn)狀

1996年，田軍等[23]在國內(nèi)最早開展了低表面能涂層水洞減阻試驗，并獲得超過18%的減阻量。隨后幾年里，他們又報道過數(shù)輪低表面能涂層減阻、降噪試驗。但該時期，鮮有其他學者的跟進研究報道。2006年，余永生等[24]通過層流狀態(tài)下超疏水表面阻力和邊界層測試發(fā)現(xiàn)，壁面存在氣膜的超疏水表面能減阻，并存在明顯滑移現(xiàn)象；而無氣膜的表面沒有減阻。這也說明超疏水表面的氣膜層是產(chǎn)生滑移的原因。2010年，姚朝暉等[25]利用碳納米管構(gòu)建出具有微納二級結(jié)構(gòu)的獨特超疏水表面，在長 140 mm的矩形截面槽道試驗中發(fā)現(xiàn)其層流減阻效果可達 36.3%。2013年，其進一步測試發(fā)現(xiàn)，該種超疏水表面的湍流減阻效果甚至優(yōu)于層流效果，減阻率高達 53.3%[26]。黃橋高等[27]基于水洞測試了涂覆疏水涂層航行器模型的阻力特性，最大獲得超過 20%的減阻率。2013年，宋保維等[28]在中船重工七〇二所完成的超疏水環(huán)帶減阻試驗突破了傳統(tǒng)管道實驗的尺度限制。結(jié)果同樣發(fā)現(xiàn)，多數(shù)超疏水涂層在低雷諾數(shù)時（Ren＜3.5×106）有減阻效果；而隨雷諾數(shù)增大，減阻迅速減弱，甚至增阻。2014年，宋東和Rothstein等[29]合作完成的超疏水微通道減阻試驗則進一步表明，當微結(jié)構(gòu)平均尺度低于61 μm時，內(nèi)壁處于Cassie狀態(tài)，減阻顯著；但微結(jié)構(gòu)尺寸增大后，氣膜逐漸消失轉(zhuǎn)變?yōu)閃enzel狀態(tài)，減阻失效，再次證實微結(jié)構(gòu)是影響氣膜穩(wěn)定性的重要因素。

在超疏水表面氣膜/氣液界面研究方面，解輝等[30]在2009年通過對納米通道內(nèi)氣泡運動的分子動力學模擬發(fā)現(xiàn)，親水壁面上氣泡位于通道中間，超疏水壁面時氣泡則位于壁面附近。這從分子尺度證明，超疏水壁面有利于實現(xiàn)氣相附著。隨后盧思等[31]采用VOF方法，對通道內(nèi)壁逸出氣泡的形成、生長及脫離進行了模擬，從連續(xù)介質(zhì)尺度上表明，超疏水性有利于氣相在壁面上的鋪展和駐留。2014年，任峰等[32]在模擬湍流狀態(tài)下棋盤狀超疏水微結(jié)構(gòu)上的氣體封存效果時發(fā)現(xiàn)，當Re＜ 15 000時氣體封存良好，但Re≥ 20 000后氣液界面開始破壞，水流進入微結(jié)構(gòu)。2015年，北京大學段慧玲等[33]采用共聚焦顯微鏡，研究了不同壓力環(huán)境下靜水中的超疏水規(guī)則微結(jié)構(gòu)內(nèi)氣液界面的破壞模式，并提出抑制氣液界面的非對稱破壞能顯著提高其穩(wěn)定性，如圖4所示。

圖4 超疏水微結(jié)構(gòu)內(nèi)氣液界面的對稱（a-d）和非對稱（e-h）破壞形式[33]Fig. 4 Symmetric（a-d）and asymmetric（e-h）collapse of the air-water interface in superhydrophobic surfaces microstructure

同年，胡海豹等[34]在人工激發(fā)湍流狀態(tài)下，通過觀測超疏水表面氣膜和流場發(fā)現(xiàn)，水速低于1 m/s時表面能穩(wěn)定維持氣膜，并減弱湍流猝發(fā)強度；且水速為0.4 m/s對應(yīng)減阻最佳，此時滑移長度可達18.3 μm，減阻約14.2%。

段慧玲團隊在2016年進一步研究了超疏水表面氣液界面不同浸潤狀態(tài)和影響因素，總結(jié)了氣液界面的演化機制[35]。

從上述報道來看，超疏水表面減阻有效性和氣液界面上的滑移現(xiàn)象已得到充分證實。同時，較高水速、壓強等條件下，氣膜消失和減阻失效問題也開始受到一些學者關(guān)注。因此，超疏水表面氣液界面穩(wěn)定維持問題亟待探索。

3 超疏水表面氣液界面穩(wěn)定維持技術(shù)總結(jié)

3.1 超疏水表面氣體補充技術(shù)

在超疏水表面氣體補充途徑方面，主要包括氣體注入、原位產(chǎn)氣、氣體溶解度調(diào)節(jié)等。其中，氣體注入是最為簡單和有效的方法。早在2000年，F(xiàn)ukuda等[36]就將人工通氣與超疏水表面結(jié)合，在模型船底部形成大面積氣膜，結(jié)果獲得超過 40%的減阻效果。2017年，胡海豹等[37]基于人工通氣的方法，實現(xiàn)了剪切流動下超疏水表面損失氣體的動態(tài)補充，結(jié)果顯示：當超疏水表面在水下恢復至Cassie狀態(tài)時，壁面渦量及剪切率低，測試所得最大滑移長度為21.43 μm，對應(yīng)最大減阻量約20%。

原位產(chǎn)氣的思路較多。例如，Kim等[38]在2012年提出利用電解水的方法實現(xiàn)超疏水表面氣膜恢復的思路，在超疏水表面實現(xiàn)逆向潤濕并穩(wěn)定維持了其減阻效果。2014年，朱曉谷等[39]也通過在超疏水表面的凹坑狀微結(jié)構(gòu)內(nèi)放置微型電極，使得水在進入凹坑內(nèi)發(fā)生電解并產(chǎn)生氣體，實現(xiàn)氣膜維持，如圖 5（a）所示。2016年，Saranadhi等[40]在泰勒-庫埃特流動中的超疏水轉(zhuǎn)子表面引入Leidenfrost效應(yīng)以構(gòu)筑氣膜，當實驗雷諾數(shù)處于26 100～52 000范圍時，結(jié)果獲得80%～90%的減阻率。Panchanathan等[41]在2018年提出利用過氧化氫催化分解產(chǎn)生的氧氣補充超疏水表面損失的氣體（如圖 5（b）所示），并在泰勒-庫埃特流動中觀測到超疏水表面氣膜的恢復。

氣體溶解度調(diào)節(jié)主要通過改變流場壓強實現(xiàn)，壓強降低使得氣體溶解度下降，流場中溶解的氣體得以析出。Verho等[42]在 2012年通過調(diào)節(jié)局部壓強實現(xiàn)了超疏水表面氣膜的恢復。Huynh等[43]研究了加減壓條件下超疏水表面氣膜的塌陷和生長過程。2017年，Ling等[44]通過實驗研究了壓強與水流對超疏水表面氣膜溶解的影響。實驗表明，減壓和通入氣體飽和水均能使得超疏水微結(jié)構(gòu)內(nèi)的氣體生長，且水流可提高氣體傳遞速率。

圖5 超疏水表面原位補氣方法Fig. 5 In situ method of air supply for superhydrophobic surfaces

3.2 超疏水表面微結(jié)構(gòu)調(diào)控技術(shù)

研究發(fā)現(xiàn)，具有T形凹角微結(jié)構(gòu)的跳蟲表面具有很強的疏水性和一定的疏油性[45]。受此啟發(fā)，Liu等[46]在親水平板表面加工出類似于跳蟲表面的微結(jié)構(gòu)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)該微結(jié)構(gòu)的凸臺有利于氣液界面釘扎在微結(jié)構(gòu)頂端并維持氣膜，實現(xiàn)Cassie狀態(tài)。Taghvaei等[47]將跳蟲表面微結(jié)構(gòu)束縛思路進一步拓展，將材料微結(jié)構(gòu)多極化，通過在微米結(jié)構(gòu)內(nèi)部構(gòu)造納米結(jié)構(gòu)，形成復合微結(jié)構(gòu)表面，實現(xiàn)了固液接觸面積的降低和氣液界面穩(wěn)定性的提高。2014年，王寶等[48]也設(shè)計了具有特殊展向溝槽的超疏水表面，發(fā)現(xiàn)這種溝槽不僅可在剪切作用下最大限度地阻止氣體流失，還能產(chǎn)生微空泡現(xiàn)象對超疏水表面氣體進行補充，最終獲得15%的速度滑移。

為了實現(xiàn)大尺度氣膜的束縛，2016年，胡海豹等[49]通過構(gòu)造親疏水相間表面形成潤濕階躍，產(chǎn)生約束固-氣-液三相接觸線移動的束縛力，實現(xiàn)了毫米尺度氣膜的封存。2017年，胡海豹等[50]在旋轉(zhuǎn)圓柱表面上利用潤濕階躍效應(yīng)封存了亞毫米厚度的連續(xù)氣環(huán)層，在無外來氣體持續(xù)補充的條件下，該方法獲得最大 77.2%的減阻效果，且減阻率基本不隨測試雷諾數(shù)變化。如圖 6（a）所示，藍色灰色相間表面，藍色表示親水，灰色表示超疏水。胡海豹等[51]在 2018年通過分子動力學模擬方法進一步研究了潤濕梯度和壁面微結(jié)構(gòu)對氣液界面潤濕及滑移行為的影響規(guī)律，并分析了潤濕階躍束縛氣膜的機理。

圖6 新型減阻表面構(gòu)筑Fig. 6 New design of drag reduction surfaces

針對超疏水表面氣體溶解的問題，2016年，Hemeda等[52]提出了新的氣液界面封存思路，如圖6（b）所示。他們通過在微結(jié)構(gòu)上部封存1層油膜，降低微結(jié)構(gòu)底部氣體的溶解量，并形成氣-油-水三相接觸界面。理論分析表明，該種結(jié)構(gòu)設(shè)置有利于氣液界面的穩(wěn)定維持，且三相復合界面的滑移長度隨油粘度的增加而逐漸增加。

4 結(jié)束語

超疏水表面減阻技術(shù)是一種具有廣闊應(yīng)用前景的新型高效水下減阻方法。目前研究者已經(jīng)得到了超疏水表面水下減阻規(guī)律，深入揭示了其內(nèi)在減阻機理，但對超疏水表面存在的氣液界面失穩(wěn)破壞問題仍缺乏有效解決辦法，特別是湍流或高剪切流作用狀態(tài)下的氣膜維持問題。因此，未來應(yīng)該在建立超疏水表面氣液界面穩(wěn)定性準則的基礎(chǔ)上，探索超疏水表面氣液界面長時穩(wěn)定維持途徑。潛在的技術(shù)突破途徑包括：1）氣體動態(tài)補充方式，如利用人工通氣、電解水、化學反應(yīng)等補充氣體；2）拓撲結(jié)構(gòu)優(yōu)化方式，如微觀結(jié)構(gòu)調(diào)控、宏觀潤濕階躍構(gòu)筑；3）更換穩(wěn)定減阻介質(zhì)方式，如將氣體換為低粘液體以減少氣體溶解和擴散；4）多減阻原理耦合方式，如超疏水與規(guī)則溝槽或添加劑等其他減阻方法耦合。