仿生超疏水表面減阻性能的研究進(jìn)展

徐勝 葉霞 范振敏 陸磊 馮歡

摘? ? 要：超疏水表面能夠降低液體流動(dòng)阻力，具有良好的減阻性能，在船舶航行、管道運(yùn)輸和航空飛行等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。首先，闡述超疏水表面潤(rùn)濕理論和減阻理論;然后，綜述近幾年來(lái)對(duì)超疏水表面微結(jié)構(gòu)尺寸、形貌以及流體速度等減阻影響因素的研究;最后，介紹超疏水表面制備方法并展望未來(lái)超疏水表面應(yīng)用前景。提出由于涂層類制備超疏水表面方法存在結(jié)合力弱的問(wèn)題，因此，未來(lái)通過(guò)構(gòu)建合適的微結(jié)構(gòu)制備持久性能較好的超疏水表面將是可行的。

關(guān)鍵詞：超疏水表面;微結(jié)構(gòu);潤(rùn)濕理論;減阻理論

中圖分類號(hào)：O59? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ?文章編號(hào)：2095-7394（2021）02-0049-09

能源問(wèn)題是困擾人類社會(huì)可持續(xù)發(fā)展的一個(gè)重要問(wèn)題。近年來(lái)，人們以節(jié)約能源為主要目標(biāo)，研究了許多節(jié)能降耗的方法，其中，減少各類運(yùn)輸中的表面摩擦阻力損耗就是一個(gè)重要研究領(lǐng)域。隨著近代微觀技術(shù)的發(fā)展，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)仿照荷葉、水黽和豬籠草等生物制備出的表面具有一定的減阻性能，這種表面被稱為超疏水表面，一般是由微納米結(jié)構(gòu)和極低表面自由能物質(zhì)組成[1]。對(duì)于超疏水表面減阻性能[2-11]的研究，在大量的文獻(xiàn)中已有報(bào)道;一些學(xué)者研究后發(fā)現(xiàn)，微結(jié)構(gòu)參數(shù)、形貌以及流速等都會(huì)對(duì)其減阻效果造成一定的影響[12-17]。但是，目前學(xué)者們對(duì)這些影響因素的機(jī)理研究還不全面，在各自的研究中只分析了一部分因素對(duì)減阻性能所造成的影響;所以，本文在綜述仿生超疏水表面潤(rùn)濕理論、減阻機(jī)理和減阻影響因素之后，作進(jìn)一步的比較，從而分析影響超疏水表面減阻性能的因素及其影響程度和規(guī)律。

1? ? 超疏水表面潤(rùn)濕理論

對(duì)于潤(rùn)濕性的研究，最早可以追溯到1805年YOUNG T[18]提出的楊氏方程，如圖1（a）所示。液滴落到組成均勻且光滑的固體表面時(shí)，靜態(tài)接觸角與固-氣、固-液和液-氣之間的表面張力有關(guān)，通過(guò)熱力學(xué)平衡方程，YOUNG得到其表面的關(guān)系

公式：

其中：[θ]表示固-液-氣三相處于穩(wěn)定時(shí)光滑表面的接觸角。當(dāng)θ<90[°]時(shí)，固體表面呈現(xiàn)親水性;當(dāng)θ>90[°]時(shí)，固體表面呈現(xiàn)疏水性;當(dāng)[θ=90°]時(shí)，固體表面介于親水性與疏水性之間。[γsg]、[γsl]和[γlg]分別代表固-氣、固-液和液-氣之間的表面張力。

在生活中，我們所接觸的表面看起來(lái)光滑，但實(shí)際是粗糙的，因此楊氏方程的使用會(huì)存在很大誤差?？紤]到這種情況，1936年，WENZEL R N[19]引入粗糙因子[r]對(duì)Young方程進(jìn)行修正，如圖1（b）圖所示，液體與固體表面完全接觸，固-液實(shí)際接觸面積大于表觀接觸面積。通過(guò)計(jì)算，得到接觸角關(guān)系公式：

其中：[θw]表示W(wǎng)enzel狀態(tài)下的表觀接觸角;θ表示Young模型中的本征接觸角;粗糙因子[r]為固-液實(shí)際接觸面積與表觀接觸面積之比。由于固體表面的粗糙因子[r]>1，因此，在Wenzel模型中，增加表面粗糙度，將會(huì)使親水表面更加親水，疏水表面更加疏水。

CASSIE和BAXTER[20]在研究疏水表面時(shí)發(fā)現(xiàn)，液滴滴落到疏水表面時(shí)，接觸面凹坑內(nèi)的氣體不會(huì)被全部排除，在該狀態(tài)下，如果繼續(xù)使用Wenzel方程將會(huì)存在很大的誤差。因此，提出了另一種固體表面潤(rùn)濕模型，即Cassie-Baxter模型，如圖1（c）圖所示，其接觸角關(guān)系式為：

其中：[θc]表示Cassie-Baxter狀態(tài)下的表觀接觸角;[f1]和[f2]分別表示固-液接觸處固相和氣相與液體實(shí)際接觸面積之比（[f1+f2=1]）;[θ1]和[θ2]分別表示液體在固體和氣體表面的本征接觸角。一般水與空氣的接觸角為180[°]，則式（3）簡(jiǎn)化可得：

Wenzel狀態(tài)下，液體與凹坑內(nèi)表面完全接觸，液體的粘性較高;而Cassie狀態(tài)下，由于凹坑內(nèi)存在氣體，固-液接觸面積減小，液體的粘性減小。一般情況下，通過(guò)修飾低表面能物質(zhì)后，一些接觸面會(huì)從Wenzel狀態(tài)轉(zhuǎn)化為Cassie狀態(tài)，而且如果在Wenzel狀態(tài)越親水，那么在轉(zhuǎn)為Cassie狀態(tài)時(shí)所得到的接觸角越大。劉晨華等人[21]在對(duì)納秒激光加工微結(jié)構(gòu)表面性能研究中發(fā)現(xiàn)，接觸面氧化物的含量會(huì)影響其潤(rùn)濕性，氧化物的形成會(huì)增強(qiáng)親水性，并且經(jīng)過(guò)涂層處理后，潤(rùn)濕性會(huì)由親水特性轉(zhuǎn)變?yōu)槭杷匦浴?/p>

通常，接觸角大小能反應(yīng)固體表面疏水性能，但AMIRFAZLI A等人[22]的研究表明，僅用靜態(tài)接觸角是不能夠反映出固體表面的動(dòng)態(tài)潤(rùn)濕特性的;因此，還需要通過(guò)滾動(dòng)角和接觸角滯后這兩者來(lái)共同衡量物體的動(dòng)態(tài)潤(rùn)濕特性。這時(shí)，需將接觸角分為前進(jìn)接觸角和后退接觸角：前進(jìn)接觸角指的是固-液界面將產(chǎn)生，而氣-液界面將消失時(shí)形成的接觸角;后退接觸角指的是氣-固界面將產(chǎn)生，而固-液界面將消失時(shí)的接觸角。接觸角滯后[23]是指固體表面存在粗糙不平或者成分組成不均勻，使得接觸角并非唯一的值，而是在相對(duì)穩(wěn)定的兩個(gè)角度之間變化的現(xiàn)象。滾動(dòng)角是指液滴在表面即將發(fā)生滾動(dòng)但尚未滾動(dòng)時(shí)，傾斜表面的水平角度[α]。如圖2所示，水滴在傾斜表面將要滾落的臨界狀態(tài)的角度即為滾動(dòng)角。

2? ? 超疏水表面減阻理論

2.1? 滑移減阻理論

在減阻技術(shù)的研究中，由Navier提出的滑移理論[24]是一種得到普遍認(rèn)可的用來(lái)評(píng)判減阻效果的理論。如圖3所示，對(duì)于理想情況，液體流經(jīng)超疏水表面，其速度在速度場(chǎng)垂直方向不會(huì)發(fā)生改變。而在實(shí)際情況中，一般靠近壁面的流速為0，存在著較大的粘性阻力;而在有超疏水微結(jié)構(gòu)的表面，可以明顯看到在靠近壁面處的流速已經(jīng)不為0，粘性阻力減小。如果延伸沿著速度梯度方向的法線到速度為0處，所延伸的長(zhǎng)度就稱為滑移長(zhǎng)度[s]，那么，壁面速度[v]的公式推導(dǎo)為：

在LEE C等人[26]176的研究中，通過(guò)微型PIV測(cè)量出流經(jīng)微結(jié)構(gòu)表面的速度場(chǎng)，發(fā)現(xiàn)在高雷諾數(shù)下，微結(jié)構(gòu)表面幾乎沒(méi)有減阻效果。在RASTEGARI A等人[46]的研究中，模擬湍流中高雷諾數(shù)情況下超疏水表面的減阻特性和可持續(xù)性界限，結(jié)果表明：減阻的大小不僅與表面微結(jié)構(gòu)的幾何形狀和大小有關(guān)，還與雷諾數(shù)有關(guān);一定條件下，隨著雷諾數(shù)的增加，超疏水表面減阻效果增強(qiáng)。在DANIELLO R J等人[47]的研究中，選用PDMS通過(guò)光刻技術(shù)制備微結(jié)構(gòu)表面，研究發(fā)現(xiàn)：在層流狀態(tài)下沒(méi)有滑移速度出現(xiàn)，而在湍流狀態(tài)下滑移速度出現(xiàn)，且隨著雷諾數(shù)的增加而增加，減阻效果也越好。李小磊等[48]分別使用激光加工、自組裝技術(shù)和化學(xué)涂覆技術(shù)在Si基底上加工出親水壁面、疏水壁面和超疏水壁面，然后將所得壁面兩兩組合在微通道的上下壁面，得到滑移速度偏向于更疏水一面的結(jié)論。由以上研究發(fā)現(xiàn)：在一般情況下，隨著流體速度的增大，超疏水表面和光滑表面所產(chǎn)生的阻力也加大;當(dāng)流體速度達(dá)到一定值時(shí)，層流變?yōu)橥牧鳎杷砻婵梢匝泳弻恿髯優(yōu)橥牧鞯倪^(guò)程，即需要比光滑表面更大的流體速度才能使流動(dòng)狀態(tài)從層流變?yōu)橥牧鳌?/p>

4? ? 超疏水表面制備

超疏水表面是由微納米復(fù)合結(jié)構(gòu)和極低的表面自由能組成的，這就決定了制備超疏水表面的方法應(yīng)圍繞以下三種：（1）在固體表面覆蓋一層低表面自由能物質(zhì);（2）在固體表面構(gòu)建合適的微納米復(fù)合結(jié)構(gòu);（3）使合適的微納米復(fù)合結(jié)構(gòu)與合適的表面自由能組合。目前，已有的制備方法包括激光刻蝕法[49]、化學(xué)氣相沉積法[50]、模板印刷法[51]和溶膠凝膠法[52]?；瘜W(xué)氣相沉積法難以保證微結(jié)構(gòu)形貌，可控性較差;模板印刷法可在聚合物表面加工出微結(jié)構(gòu)，但不宜在金屬表面加工;溶膠凝膠法制備出的微結(jié)構(gòu)表面與基體結(jié)合力弱;激光刻蝕法對(duì)于微結(jié)構(gòu)形貌可控，雖然不適合在大物體表面加工，但可以通過(guò)設(shè)計(jì)合適的激光設(shè)備來(lái)彌補(bǔ)這一缺陷，未來(lái)可期。然而，以上方法所制備的微結(jié)構(gòu)表面，一般耐久性能比較差，往往經(jīng)過(guò)短時(shí)間的使用其表面微結(jié)構(gòu)就會(huì)被破壞，從而失去超疏水特性。近年來(lái)，王德輝等人[53]研究了在硅片、陶瓷、金屬、玻璃等普適性基材表面，利用光刻和冷/熱壓等微細(xì)加工技術(shù)，加工倒四棱錐微腔陣列結(jié)構(gòu)。經(jīng)過(guò)不銹鋼刀片的反復(fù)刮擦，鎧甲化表面表現(xiàn)出對(duì)垂直載荷和剪切力良好的抵抗能力，且填充在微結(jié)構(gòu)內(nèi)部的納米材料完好無(wú)損，展現(xiàn)了超疏水表面非凡的應(yīng)用潛力。

5? ? 結(jié)語(yǔ)與展望

超疏水表面因其良好的減阻性能，未來(lái)在水下航行、管道運(yùn)輸和空中航行等需要減少固-液摩擦阻力的領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景。由于目前涂層類制備超疏水表面依舊存在涂層結(jié)合力弱、耐用性差等問(wèn)題，因此，制備耐磨損、耐使用超疏水表面將會(huì)是一個(gè)重要的研究方向。此外，影響超疏水微結(jié)構(gòu)表面減阻效果的因素有很多，需要將多種因素結(jié)合在一起考慮，建議采用正交實(shí)驗(yàn)方法或其他多種因素的處理方法?？赏ㄟ^(guò)實(shí)驗(yàn)和模擬方法選出影響最大的因素，并綜合各因素找出減阻效果較好的參數(shù)和形貌;然后，在此微結(jié)構(gòu)參數(shù)和形貌下進(jìn)行微結(jié)構(gòu)深度、寬度和間距的單一變量變化實(shí)驗(yàn)和模擬，最終得到減阻效果較好的超疏水微結(jié)構(gòu)表面。

參考文獻(xiàn)：

[1] 王立新，張碩研，紀(jì)運(yùn)廣，等.超疏水表面仿生原型制備技術(shù)研究分析[J].河北科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2020，41（1）：1-13.

[2] FUAAD P A， PRAKASH K A. Enhanced drag-reduction over superhydrophobic surfaces with sinusoidal texture：a DNS study[J]. Computers & Fluids，2019：208-223.

[3] LANDEL J R， PEAUDECERF， FRANCOIS J， et al. A theory for the slip and drag of superhydrophobic surfaces with surfactant[J]. Journal of Fluid Mechanics，2020：1-44.

[4] PAKZAD H， LIRAVI M， MOOSAVI A， et al. Fabrication of durable superhydrophobic surfaces using PDMS and beeswax for drag reduction of internal turbulent flow[J]. Applied Surface Science，2020，513：145754.

[5] TUO Y， ZHANG H，RONG W，et al. Drag reduction of anisotropic superhydrophobic surfaces prepared by laser etching[J]. Langmuir，2019，35（34）：11016-11022.

[6] LIU C， ZHU L， LI J， et al. Fabrication of superhydrophobic bionic surface integrating with VOF simulation studies of liquid drop impacting[J]. Microscopy Research and Technique，2019，82（5）：615-623.

[7] FU M K， CHEN T H， ARNOLD C B， et al. Experimental investigations of liquid-infused surface robustness under turbulent flow[J].? Experiments in Fluids，2019，60（6）：100.

[8] SI-Qi L I， XIAO W L，CHENG J Q，et al. A new method for fluorine-free superhydrophobic surface used for drag-reduction at solid-liquid interface[J]. Journal of? Harbin Institute of? Technology，2019，51（10）：152-156.

[9] CHU D，SUN X，HU Y，et al. Substrate-independent，switchable bubble wettability surfaces induced by ultrasonic treatment[J]. Soft Matter，2019，15（37）：7398-7403.

[10] BHUSHAN B， JUNG Y C. Natural and biomimetic artificial surfaces for superhydrophobicity，self-cleaning，low adhesion，and drag reduction[J]. Progress in Materials Science，2011，56（1）：1-108.

[11] ZHAO X， XUE Y，YANG H， et al. Drag reduction effect of ultraviolet laser-fabricated superhydrophobic surface[J]. Surface Engineering，2019：1-8.

[12] WANG Y， FENG D， WANG L， et al. Fabrication of super-hydrophobic stainless steel needles and evaluation of their drag reduction properties[J]. Micro & Nano Letters，2019，14（5）：479-482.

[13] ZIHAN L， FU C， TAO B， et al. Drag reduction mechanism study about water-in-water emulsion drag reducing agent[J]. Petrochemical Technology，2019，48（7）：724-730.

[14] EDWIGE S. Modal analysis and flow control for drag reduction on a Sport Utility Vehicle[J]. Archive ouverte HAL，2019：1-7.

[15] MORADI H V， FLORYAN J M.? Drag reduction and instabilities of flows in longitudinally grooved annuli[J]. Journal of Fluid Mechanics，2019，865：328-362.

[16] COSTANTINI R，MOLLICONE J P，BATTISTA F. Drag reduction induced by superhydrophobic surfaces in turbulent pipe flow[J]. Physics of Fluids，2018，30（2）：25102.

[17] SONG W， WANG C， WEI Y， et al. Experimental study of microbubble drag reduction on an axisymmetric body[J]. Modern Physics Letters B，2018，32（3）：1850035.

[18] YOUNG T. An essay on the cohesion of fluids[J]. Royal Society，1805，95：65-87.

[19] WENZEL R N. Surface roughness and contact angle[J]. The Journal of Physical Chemistry，1949，53（9）：1466-1467.

[20] CASSIE A B D， BAXTER S. Wettability of porous surfaces[J]. Transactions of Faraday Society，1944，40：546-551.

[21] 劉晨華，祝錫晶，黎相孟，等.納秒激光誘導(dǎo)氧化鈦片及涂層的潤(rùn)濕性研究[J].激光與光電子學(xué)進(jìn)展，2020，57（1）：169-175.

[22] AMIRFAZLI A，CHATAIN D，NEUMANN A W. Drop size dependence of contact angles for liquid tin on silca surface：line tension and its correlation with solid-liquid interfacial tension[J]. Colloids and Surfaces A（Physicochemical and Engineering Aspects），1998，142（2）：183-188.

[23] AMIRFAZLI A. On thermodynamics of thin films：the mechanical equilibrium condition and contact angles[J]. The Journal of Adhesion，2004，80（10-11）：1003-1016.

[24] 劉征，于志家.超疏水微圓管內(nèi)流動(dòng)的數(shù)值模擬[J].遼寧化工，2010，39（9）：897-900.

[25] FAIRHALL C，GARCIAMAYORAL R. Spectral analysis of the slip-length model for turbulence over textured superhydrophobic surfaces [J]. Flow Turbulence and Combustion，2018，100（4）：961-978.

[26] LEE C，CHOI C，KIM C，et al. Superhydrophobic drag reduction in laminar flows：a critical review[J]. Experiments in Fluids，2016，57（12）：176.

[27] CHOONGYEOP L， CHANG J K. Underwater restoration and retention of gases on superhydrophobic surfaces for drag reduction[J]. American Physical Society，2011，106（1）：14502.

[28] CHOI C，WESTIN K， BREUER K. Apparent slip flows in hydrophilic and hydrophobic microchannels[J]. Physics of Fluids，2003（15）：2897-2902.

[29] LAUGA E， BRENNER M P， STONE H A. Microfluidics：the no-slip boundary condiction[J]. Springer，2005（15）：1219-1240.

[30] 葉霞. 基于超疏水和流變減阻理論的仿生心臟瓣膜的基礎(chǔ)研究[D].鎮(zhèn)江：江蘇大學(xué)，2009.

[31] PARK H J， OISHI Y， TASAKA Y，et al. Void waves propagating in the bubbly two-phase turbulent boundary layer beneath a flat-bottom model ship during drag reduction[J].? Experiments in Fluids，2016，57（12）：178.

[32] TONG J， WU B， SONG Z， et al. Research on the drag reduction mechanism of antlion （Myrmeleon sagax） larvae nonsmooth structural surface[J].? Microscopy Research and Technique，2020，83（6）：338-344.

[33] GENGHUI X U，YONGOU Z，SHENCHI Z. Numerical simulation of ship model microbubble drag reduction based on two-phase flow interaction[J]. Ship Engineering，2019，41（4）：31-35.

[34] WUCHAO S，CONG W，YINGJIE W，et al. Tests for microbubble drag reduction features of an underwater vehicle[J]. Journal of Vibration and Shock，2019，38（5）：203-208.

[35] BULLEE，PIM，VERSCHOOF，et al. Bubbly drag reduction using a hydrophobic inner cylinder in Taylor-Couette turbulence[J]. Journal of Fluid Mechanics，2019，41（4）：31-59.

[36] ZHANG X S，WANG J H，WAN D C. Euler-Lagrange study of bubble drag reduction in turbulent channel flow and boundary layer flow[J]. Physics of Fluids，2020.doi：10.1063/1.5141608.

[37] SIBREE J. The viscosity of emulsions[J]. Transaction of the Faraday Society，1930（26）：26-36.

[38] VAND V. Viscosity of solutions and suspensions I theory[J]. Journal of Physical Chemistry Letters，1948，52（2）：277-299.

[39] 崔慶澤，李春曦，葉學(xué)民.結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)超疏水微通道湍流阻力特性的影響[J].電力科學(xué)與工程，2017，33（7）：52-57.

[40] 郝秀清，王莉，丁玉成，等.超疏水表面的減阻研究[J].潤(rùn)滑與密封，2009，34（9）：25-28.

[41] 宋保維，郭云鶴，胡海豹，等.微結(jié)構(gòu)超疏水表面減阻特性數(shù)值研究[J].計(jì)算物理，2013，30（1）：70-74.

[42] 楊雪峰，趙丹陽(yáng). 仿生鯊魚皮滾壓成型表面減阻數(shù)值模擬研究[J]. 建模與仿真，2018，7（2）：63-75.

[43] JETLY A，VAKARELSKI I U，THORODDSEN S T，et al. Drag crisis moderation by thin air layers sustained on superhydrophobic spheres falling in water[J]. Soft Matter，2018，14（9）：1608-1613.

[44] 李春曦，張碩，薛全喜，等.基于拋物線形氣-液界面的超疏水微通道減阻特性[J].化工學(xué)報(bào)，2016，67（10）：4126-4134.

[45] NAIM M S，BAIG M F. Turbulent drag reduction in Taylor-Couette flows using different super-hydrophobic surface configurations[J]. Physics of Fluids，2019，31（9）：95108.

[46] RASTEGARI A，AKHAVAN R. On drag reduction scaling and sustainability bounds of superhydrophobic surfaces in high Reynolds number turbulent flows[J]. Journal of Fluid Mechanics，2019，864：327-347.

[47] DANIELLO R J， WATERHOUSE N E， ROTHSTEIN J P. Drag reduction in turbulent flows over superhydrophobic surfaces[J].? Physics of Fluids，2009，21（8）：85103.

[48] 李小磊，馬曉雯，常允樂(lè)，等.表面潤(rùn)濕性對(duì)微通道界面減阻特性的影響[J].表面技術(shù)，2017，46（6）：42-48.

[49] 劉曉燕，趙雨新，趙海謙，等.刻蝕法制備超疏水金屬表面的研究綜述[J]. 功能材料與器件學(xué)報(bào)，2019，25（4）：221-228.

[50] 代學(xué)玉，汪永麗，高蘭玲.化學(xué)沉積法制備超疏水表面的研究進(jìn)展[J]. 山東化工，2017，46（18）：57-58.

[51] 丁云飛，伍彬，吳會(huì)軍.基于模板熱壓法制備超疏水柱狀結(jié)構(gòu)表面[J].現(xiàn)代化工，2014，34（11）：65-68.

[52] 趙立強(qiáng)，南泉，全貞蘭，等.溶膠-凝膠法制備超疏水表面的研究進(jìn)展[J]. 低溫與特氣，2015，33（5）：1-5.

[53] 王德輝，于凡斐，鄧旭.為超疏水表面“披上”鎧甲[J].科學(xué)通報(bào)，2020，65（34）：3846-3848.

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