船舶減阻表面工程技術(shù)研究進展

郭樂揚，阮海妮，李文戈，高原，姜濤，劉彥伯，吳新鋒，趙遠濤

船舶減阻表面工程技術(shù)研究進展

郭樂揚1，阮海妮1，李文戈1，高原2，姜濤1，劉彥伯3，吳新鋒1，趙遠濤1

（1.上海海事大學 商船學院，上海 201306；2.上海奇想青晨新材料科技股份有限公司，上海 201505；3.上海市納米科技與產(chǎn)業(yè)發(fā)展促進中心，上海 200237）

船舶減阻是實現(xiàn)船舶節(jié)能減排，構(gòu)建綠色低碳船舶的關(guān)鍵。船舶被動減阻方法主要有仿生結(jié)構(gòu)減阻、柔性壁減阻、超疏水表面減阻、防污涂層減阻等。按機理將被動減阻方法細分為結(jié)構(gòu)型和物理化學型減阻，結(jié)構(gòu)型減阻是模仿自然界水下生物表面結(jié)構(gòu)以達到減阻效果；物理化學型減阻是賦予表面一定特點，如柔性、超疏水性、防污性等，以通過減少表面摩擦阻力、提高邊界穩(wěn)定性、減輕自重等方式達到船舶減阻的目的。結(jié)構(gòu)型減阻表面構(gòu)建方法主要有走絲線切割技術(shù)（EDM）、滾壓成型技術(shù)、壓印法、澆筑翻模法、涂料噴涂加工技術(shù)、激光刻蝕法、三維打印法等；物理化學型減阻表面構(gòu)建方法主要有涂料噴涂加工技術(shù)、旋涂法、化學腐蝕法、溶膠–凝膠法、電化學沉積、靜電紡絲、相分離、等離子體處理等。針對以上減阻技術(shù)研究現(xiàn)狀進行綜述，主要從微觀機理出發(fā)，總結(jié)現(xiàn)有文獻中制備船舶減阻表面的技術(shù)以及存在的問題，并提出多種減阻方法協(xié)同作用解決現(xiàn)有問題，指明船舶減阻技術(shù)的發(fā)展趨勢，為船舶減阻技術(shù)的研究與應用提供指導。

仿生結(jié)構(gòu)；柔性壁；超疏水；防污涂層；船舶減阻

在航運業(yè)“碳達峰、碳中和”的要求下，船舶作為重要的水上運載工具，其綠色低碳發(fā)展受到越來越多的關(guān)注，而船舶減阻技術(shù)是實現(xiàn)船舶節(jié)能減排、構(gòu)建綠色低碳船舶的關(guān)鍵。船舶在航行中可受到水與空氣等介質(zhì)帶來的阻力，使船舶航行動能降低，船舶能耗與排放增加。船舶航行阻力主要包括興波阻力、空氣阻力與摩擦阻力等，其中摩擦阻力是最主要的組成部分，約占全部阻力的70%～80%。因此，減小船舶航行摩擦阻力對實現(xiàn)綠色航運具有重要意義。

船舶減阻方法可以分為主動減阻和被動減阻2類，前者主要包括船舶結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計[1-3]、高聚物減阻[4-5]、氣幕減阻[6-7]等，是通過對船體優(yōu)化設(shè)計或在流體中添加高聚物、氣泡幕達到減阻的目的。被動減阻方法更加多樣，如仿生結(jié)構(gòu)減阻、柔性壁減阻、超疏水表面減阻、防污涂層減阻等，主要是通過對船舶表面加工改性來達到減阻的目的。按表面改性機理的不同可將被動減阻方法分為結(jié)構(gòu)型和物理化學型減阻。結(jié)構(gòu)型減阻是通過仿生構(gòu)建水生物表面結(jié)構(gòu)（如鯊魚皮和魚鱗等）以達到減阻效果，其構(gòu)建方法主要有走絲線切割技術(shù)（EDM）、滾壓成型技術(shù)、壓印法、澆筑翻模法、涂料噴涂加工技術(shù)、激光刻蝕法、三維打印法等。物理化學型減阻是賦予船舶表面其他特性，如超疏水、柔性、防污等，通過減少表面摩擦阻力、提高邊界穩(wěn)定性、減輕自重等方式達到船舶減阻的目的，加工方式多為涂料噴涂。近些年，主動減阻方法的研究成果較多且相對成熟，而被動減阻方法的研究也日益增多，但有關(guān)被動減阻方法的研究多集中于減阻機制、減阻構(gòu)建方法及減阻效果模擬等方面，而對被動減阻方法的模擬及現(xiàn)場應用實驗、多種減阻方法協(xié)同機制的研究仍較缺乏。

基于此，本文主要針對被動減阻方法進行分析，從結(jié)構(gòu)型和物理化學型被動減阻的微觀機理出發(fā)，總結(jié)現(xiàn)有文獻中制備船舶減阻表面的技術(shù)以及存在的問題，并提出將2種及以上減阻方法協(xié)同作用的思路，為船舶減阻設(shè)計與應用提供指導。

1 結(jié)構(gòu)型減阻法

受海洋生物表面結(jié)構(gòu)啟發(fā)，研究發(fā)現(xiàn)具有一定仿生紋理的物體表面較光滑平面所受水下阻力更小[8-9]。仿生紋理主要類型包括凹坑、凹槽、凸包、波紋、鱗片及復合類型。加工這些仿生結(jié)構(gòu)的技術(shù)主要包括中走絲線切割技術(shù)（EDM）、滾壓成型技術(shù)、壓印法、澆筑翻模法、涂料噴涂加工技術(shù)、激光刻蝕法、三維打印法等[10-11]。以下針對各種仿生減阻結(jié)構(gòu)及其加工方法進行綜述。

1.1 鯊魚皮減阻

研究發(fā)現(xiàn)，鯊魚的身體表面均勻分布著V型凹槽結(jié)構(gòu)，可減少水流湍流以及剪切應力，降低對水運動的阻力，保持高速運動[12]?，F(xiàn)有鯊魚皮凹槽減阻機理主要為：（1）基于湍流相關(guān)理論的“第二渦群”理論[13]（圖1），同為順流向的凹槽與“反向旋轉(zhuǎn)渦對”誘發(fā)了方向相反的“二次渦”，“二次渦”的產(chǎn)生能有效抑制“反向旋轉(zhuǎn)渦對”，減少低速流體向上抬升，使湍流猝發(fā)頻率減少、強度降低，從而達到凹槽表面湍流摩擦阻力減少的目的；（2）基于黏性理論的“突出高度”理論（圖2）以及之后補充提出的“突出高度之差”理論[14]（圖3），凹槽遇到橫流時，“突出高度”下面大部分區(qū)域的流動都因黏性而阻滯，使湍流變化減弱，從而減少阻力，但對縱流的阻滯作用遠遠不及對橫流的。

圖1 “第二渦群”理論[13]

張子良等[15]通過數(shù)值模擬與實驗分析研究了鯊魚皮減阻技術(shù)的機理。研究發(fā)現(xiàn)，凹槽的存在減弱了近壁區(qū)的湍流運動，湍流猝發(fā)概率降低，凹槽底部為減阻區(qū)，而尖端部分為增阻區(qū)，這都符合“第二渦群”理論。另外，凹槽形狀變化時，法向渦量的變化會使尖端增阻區(qū)減小，減阻區(qū)增大，有利于整體的減阻。

圖2 突出高度理論[13]

圖3 “突出高度之差”理論（橫流突出高度h⊥，縱流突出高度h∥）[13]

Cui等[16]使用晶格玻爾茲曼（LBM）數(shù)值分析方法進行仿真，發(fā)現(xiàn)在凹槽內(nèi)形成的二次渦能使表面水流動的壓差減小。減阻率計算公式為：

式中：Δsmooth是普通光滑表面流動的壓差，Δgroved是具有凹槽表面流動的壓差。他們同樣發(fā)現(xiàn)凹槽的不同形狀帶來不一樣的減阻效果，減阻率由高至低分別為脊形、V形、盤狀、肋形（圖4）。寬度與高度比較小的脊形凹槽用于較低的雷諾數(shù)流體，反之則更適合用于較大的雷諾數(shù)流體。

于乾一等[17]使用中走絲線切割加工技術(shù)（EDM）在鈦合金表面加工出仿生鯊魚皮結(jié)構(gòu)。經(jīng)過優(yōu)選后確定加工參數(shù)為：脈沖寬度34 μs，脈沖間距7 μs，加工電流2 A，進給速度80 mm2/min，切削液濃度10%。結(jié)果顯示，相同層流狀態(tài)下，仿生鯊魚皮表面具有比普通光滑表面明顯的減阻效果，最大減阻率可達14%左右，減阻率會隨雷諾數(shù)的增加而逐漸減小到6%左右。另外，對比鈦、鋁合金制備的仿鯊魚皮表面減阻性能，發(fā)現(xiàn)材料對減阻效果的影響不大，表面結(jié)構(gòu)是影響減阻效果的最大因素。

楊雪峰等[18]用滾壓成型技術(shù)在PVC薄膜表面構(gòu)造了直徑分別為0.2 mm和0.5 mm的2種凹槽結(jié)構(gòu)，背壓輪溫度分別為70 ℃和60 ℃，壓印輪溫度均為70 ℃，滾筒速度均為1 r/min，壓縮比分別為2.27和1.54。結(jié)果顯示，在相同湍流流動狀態(tài)下，凹槽直徑越小或深寬比越小，其減阻效果越好。

圖4 盤狀凹槽（a）、V形凹槽（b）、肋形凹槽（c）和脊形凹槽（d）[16]

除了中走絲線切割加工技術(shù)、滾壓成型技術(shù)，制備仿生結(jié)構(gòu)的方式還有三維打印技術(shù)、澆注翻模法、壓印法等。張偉等[19]用熔融沉積成型（FDM）三維打印技術(shù)制備了鯊魚皮結(jié)構(gòu)，以分層厚度0.1 mm、打印速度30 mm/s、擠出寬度0.36 mm為打印參數(shù)。黃志平等[20]用翻模法制備該結(jié)構(gòu)，先以新鮮鯊魚皮表面作為模板，用不飽和樹脂和玻璃纖維制得模具，最后用硅橡膠澆注翻模得到鯊魚皮表面結(jié)構(gòu)。Guo等[21]用UV–LIGA技術(shù)以及壓印法在PVC膜上實現(xiàn)大規(guī)模復制鯊魚皮結(jié)構(gòu)，模具溫度為70 ℃，壓縮比為1.22，軋制速度為1 r/min，該參數(shù)下減阻率約為12%。

1.2 魚鱗減阻

研究發(fā)現(xiàn)，魚鱗具有方向性減阻作用，順魚鱗方向較逆魚鱗方向更易減少流體阻力。這是由于順、逆魚鱗方向上表面的粗糙度不同，順魚鱗方向上粗糙度更小，因此液體流過表面時造成速度梯度下降的趨勢也具有方向性，表面受到的流體阻力也不同，從而產(chǎn)生方向性的減阻效果。另外魚鱗表面存在微米級洞穴，其中充滿氣體而非液體，這樣固–液界面就會被氣–液界面取代，可減少層流的摩擦，還可抑制湍流的產(chǎn)生。

WU等[22]用數(shù)值模擬和理論計算的方法對比了普通光滑平面與仿生魚鱗表面的總阻力隨流速的變化。結(jié)果顯示，仿生魚鱗表面的總阻力小于普通光滑平面的總阻力，流速為0.66 m/s時，仿生魚鱗表面對比普通光滑平面達到最大減阻率3.014%。且隨著流速的增加，減阻率會逐漸減小，這與鯊魚皮結(jié)構(gòu)表面的研究結(jié)果一致，因此這類仿生減阻微納米結(jié)構(gòu)更適合應用于低速流體環(huán)境。

畢麗慧等[23]將魚鱗仿生結(jié)構(gòu)應用到燃料電池（PEMFC）水管理領(lǐng)域中，采用數(shù)值模擬的方法構(gòu)建了如圖5所示的PEMFC流道，加快液態(tài)水從流道中通過的速度，提高電池排水的效率。結(jié)果顯示，仿魚鱗結(jié)構(gòu)的導流板的排列以及傾斜角度與液體離開流道的速度有很大關(guān)系，當導流板如魚鱗般交錯排列、傾斜角度為15°時，液滴流動速度最快。其他計算域的各項物理參數(shù)為：導流板橫向間距2.75 mm，縱向間距2.5 mm或2 mm，厚度0.5 mm，寬度1.5 mm或1 mm。Muthukumar等[24]也在仿真實驗中證明了仿生魚鱗陣列對減阻效果的影響，魚鱗的交錯排位陣列可以很好地穩(wěn)定層流邊界層，抑制湍流的產(chǎn)生，理論可減少約27%的減阻率。

圖5 最優(yōu)化尺寸下的仿生魚鱗流道計算域示意圖[23]

Wang等[25]用激光加工的方法在鋁合金表面制備魚鱗結(jié)構(gòu)，制備參數(shù)為：激光源和樣品距離195 mm，納秒激光器光斑直徑50 μm，重復設(shè)定頻率20 kHz，脈沖持續(xù)時間1 μs，處理功率10 W，掃描速度500 mm/s。制備出的樣品表面超疏水，接觸角為154.9°，相比光滑鋁合金表面，減阻率為4.814%。Dou等[26]用噴涂技術(shù)制備涂層，模仿構(gòu)造魚鱗中的微米級洞穴，涂料中包含12%乙酸丁酯、8%二甲苯、6%金屬氧化物微粒、62%氟乙烯乙烯基醚共聚物樹脂、2%聚二甲基硅氧烷樹脂和10%六亞甲基二異氰酸酯，最高減阻效率約10%。

綜上可知，仿生結(jié)構(gòu)減阻主要聚焦于鯊魚皮結(jié)構(gòu)與魚鱗結(jié)構(gòu)減阻的研究，通過減小湍流發(fā)生的概率和強度，保持穩(wěn)定層流，達到減小摩擦阻力的目的。仿生結(jié)構(gòu)的形狀以及排列方式都會影響整體減阻效果。但目前對精細復雜表面結(jié)構(gòu)的研究仍主要依賴于數(shù)值模擬理論計算，應用實驗研究開展仍相對不足，且多數(shù)實驗研究未考慮材料本身產(chǎn)生的腐蝕、磨損與裂紋等問題對減阻結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性與時效性的影響?，F(xiàn)有仿生結(jié)構(gòu)制備方法有多種，但每種方法各有優(yōu)劣，如滾壓成型技術(shù)相較于傳統(tǒng)的熱壓成型效率有較大的提升，理論上可實現(xiàn)大面積復制，但存在精度較低、工藝參數(shù)（滾筒速度、壓力和溫度）難以控制等問題；壓印法理論上也可實現(xiàn)大面積復制，但成本昂貴，對準技術(shù)仍達不到精準；激光刻蝕精度高、成本低，但不能滿足大批量生產(chǎn)。因此，后續(xù)應結(jié)合數(shù)值模擬，開展水面、水下仿真與現(xiàn)場實驗研究，并選擇合適的制備方法與材料，分析制備方法的適用性與材料性質(zhì)對減阻效果的影響。

2 物理化學型減阻法

近些年，研究發(fā)現(xiàn)超疏水、防污、柔性等表面性能也可實現(xiàn)船舶減阻的目的，制備方法主要有涂料噴涂加工技術(shù)、旋涂法、化學腐蝕法、溶膠–凝膠法、電化學沉積、靜電紡絲、相分離、等離子體處理等技術(shù)，以下做詳細闡述。

2.1 超疏水減阻

超疏水涂層減阻的機理研究較多的是Navier壁面滑移，如圖6所示，近壁面流體有一定的滑移速度，流動更接近理想流體，流體與壁面之間的剪切力降低，從而減少摩擦阻力[27]。Tretheway等[28]用微米分辨率粒子圖像測速技術(shù)來測量涂有超疏水涂料（十八烷基三氯硅烷）30 mm×300 mm通道中的流速。結(jié)果顯示，水流在超疏水表面出現(xiàn)滑移現(xiàn)象，滑移速度約為自由流速度的10%，滑移長度約1 mm，該通道中距壁25 mm的速度約為自由流速度的95%。Min等[29]采用直接數(shù)值模擬方法（DNS）證明了順流向滑移的確能產(chǎn)生減阻效果，且近壁湍流強度減弱，這是因為隨著流動滑移，壁面剪切應力相應減小，達到減阻的目的。Ahmad等[30]發(fā)現(xiàn)滑移的發(fā)生不只是因為涂層表面疏水性好、潤濕性差，他們將同一種超疏水涂料（十八烷基三氯硅烷）涂覆在光滑與粗糙基材表面并觀察滑移現(xiàn)象，結(jié)果顯示，后者表面流動表現(xiàn)出更明顯的滑移，說明粗糙度對滑移的影響優(yōu)于潤濕性。Ou等[31-32]發(fā)現(xiàn)具有微觀粗糙度的超疏水涂層有微納米凸出結(jié)構(gòu)，與液滴接觸時具有氣–液界面，符合Cassie–Baxter模型（圖7）。在氣–液界面才會出現(xiàn)更明顯的滑移，固–液界面幾乎不會出現(xiàn)滑移現(xiàn)象（圖8）。Ren等[33]用多體耗散粒子動力學模擬方法也證明了這一理論，并深入研究了邊界滑移條件。滑移使邊界面上的速度梯度減小，從而減小了邊界剪切力，減少了摩擦阻力，也使層流邊界層厚度增加，更加穩(wěn)定，抑制湍流的產(chǎn)生，超疏水表面在上述諸多因素下共同作用產(chǎn)生減阻效果。

圖6 滑移表面對流體流動的影響

圖7 Cassie–Baxter模型

圖8 超疏水表面的滑移現(xiàn)象

Li等[34]通過逐層熱壓工藝（HoP）在Kevlar織物表面纖維上構(gòu)建菱形十二面體晶體結(jié)構(gòu)ZIF–8，再浸入1H,1H,2H,2H–全氟辛基三乙氧基硅烷（PFOTES）降低表面能。結(jié)果顯示，表面接觸角為152.2°，用如圖9所示的裝置進行表面減阻性能測試，將測試小船底面覆蓋經(jīng)過處理的以及未經(jīng)處理的Kevlar織物，不銹鋼球順著U型鋼槽滾入測試船，然后船沿直線開始在水面上前進。測量球的總移動距離和總移動時間可以計算得到船的漂移速度，覆蓋有經(jīng)過處理超疏水Kevlar織物的測試船的平均漂移速度為3.75 cm/s，未經(jīng)處理Kevlar織物的測試船的平均漂移速度為1.875 cm/s。兩艘船有相同的驅(qū)動力，驅(qū)動力由相同的重力勢能轉(zhuǎn)化而來，而不同的移動速度則說明船體對水的阻力不同。

展學平等[35]以碳纖維復合材料層合板作為基材，通過勻膠機在其上涂覆由聚氨酯和納米SiO2構(gòu)成的超疏水材料，成功在表面構(gòu)建微納米結(jié)構(gòu)。結(jié)果顯示，加入質(zhì)量分數(shù)為5%、粒徑為100 nm的納米SiO2時，接觸角為152.1°，此時涂層的減阻效果最好，懸掛式測量法和熱線風速法下測得的減阻率分別為15.56%和16.92%。

圖9 測試Kevlar織物小船減阻效果的裝置圖[34]

Mohammad等[36]使用噴涂的方法在載玻片表面涂覆由聚二甲基硅氧烷（PDMS）/疏水性SiO2納米粒子組成的納米復合涂層。SiO2/PDMS比率為100%時，接觸角和滑動角分別為(161.6±2)°和(4.1±0.5)°。用壓差流阻評價法測得減阻率和滑移長度分別為25%和70 μm。SiO2含量較小的涂層的滑移長度較小。

李思奇等[37]采用化學腐蝕技術(shù)在鋁合金表面制備微納級粗糙結(jié)構(gòu)，在3 mol/l鹽酸中20 min完成腐蝕后，在天然松香溶液中浸泡5 min進行表面改性，最后刷涂質(zhì)量分數(shù)為10%的炭黑懸濁液。結(jié)果顯示，該超疏水表面接觸角為155°，滾動角為1.38°，用懸掛式測量法測得減阻率在海水流速0.8～3.5 m/s范圍內(nèi)達到20%～30%。

Wen等[38]在鋁缸表面噴涂由丙烯酸、聚四氟乙烯和碳管組成的疏水材料，以降低表面能和增加表面粗糙度。結(jié)果顯示，當雷諾數(shù)小于3 800時，處于Cassie–Baxter狀態(tài)的疏水涂層具有顯著的減阻效果；但當雷諾數(shù)大于6 600時，疏水涂層變?yōu)閃enzel狀態(tài)，疏水涂層的粗糙度開始影響流場，減阻作用消失。Hu等[39]同樣發(fā)現(xiàn)這個結(jié)論，隨著水流速度的增大，表面的空氣囊在剪切力作用下逐漸消失，表面最終被水完全潤濕變?yōu)閃enzel狀態(tài)，導致壁面滑移消失，隨后固體表面的粗糙度便成為可能會增加阻力的主要因素。這也是限制疏水表面應用的主要缺陷，目前研究認為有2種方法可以解決這個問題。第一種是改進疏水表面的制造工藝，使空氣囊不易消失，Cassie–Baxter狀態(tài)在水下保持高穩(wěn)定性和耐久性；第二種是實現(xiàn)疏水表面的空泡效應，這涉及到流體力學領(lǐng)域，空化是一種非常復雜的兩相流，它發(fā)生在局部壓力下降到足夠低的壓力時（通常是液體的蒸汽壓）。當空化數(shù)足夠低時，會發(fā)生超空化現(xiàn)象，使整個浸沒體被包圍在一個氣腔中。通過合理的結(jié)構(gòu)和制造方法，可以實現(xiàn)微特征上的空化[40]。

構(gòu)建微納米級粗糙結(jié)構(gòu)的方式還有很多，比如溶膠–凝膠法[41-43]、電化學沉積[44-45]、靜電紡絲[46-47]、相分離[48-49]、等離子體處理[50-52]和化學蝕刻[53-54]等。Huang等[55]用溶膠凝膠法制得SiO2納米顆粒，與甲基硅樹脂混合后涂覆在玻璃片表面，接觸角為157.2°。彭華喬等[56]用鹽酸對鋁合金表面進行化學蝕刻，鹽酸濃度為3 mol/L、刻蝕時間為20min、刻蝕溫度為25 ℃時，效果最佳，接觸角為156°。Yang等[57]用電化學沉積法在銅片上構(gòu)建微納米結(jié)構(gòu)，氯化鎳、乙醇和肉豆蔻酸作為電解液，電解時間為10 min，改性后表面接觸角為160.3°。上述方法都能成功在基材表面構(gòu)建出微納米粗糙結(jié)構(gòu)，但是在實際應用中都有所限制。溶膠–凝膠法所使用的原料一般價格昂貴，有些甚至對健康有危害，且制備周期較長，需要幾天或幾周。化學刻蝕和電沉積通常不能大規(guī)模生產(chǎn)，也不能處理大面積的基材，且會產(chǎn)生大量化學廢液。靜電紡絲法產(chǎn)量較低，同樣不適合大規(guī)模生產(chǎn)。在實際應用時，應考慮需構(gòu)建微納米粗糙平面的工件大小、使用環(huán)境等各方面因素，選擇方便、可行、經(jīng)濟的構(gòu)建方法。

2.2 柔性壁減阻

柔性壁的減阻機理主要是由于柔性涂層的彈性形變可以抑制流體的壓力脈動，有效地吸收湍流動能，再通過形變回彈釋放能量，有利于延緩層流邊界層向湍流的轉(zhuǎn)換，提高邊界穩(wěn)定性，柔性壁涂層變形示意圖如圖10所示。

為精確測量柔性壁作用時發(fā)生變形表面的摩擦力以及減阻效果，顧建農(nóng)等[58]利用粒子圖像全場測速技術(shù)（PIV）可有效地分析柔性壁近壁區(qū)域平均速度剖面與摩擦阻力。結(jié)果顯示，EA/BA乳液共聚物以50/50的比例作為柔性壁時，其在雷諾數(shù)為9.36×105的流體中，減阻率為5.263%。孫衛(wèi)紅等[59]用乳液聚合法合成了聚氨酯–聚丙烯酸乙酯（PU/PEA）質(zhì)量比為40/60的乳液混合物并涂覆在鋁板上制成柔性壁，同樣用PIV 測量技術(shù)結(jié)合小型水洞平板阻力測試方法進行減阻效果測試，結(jié)果顯示，流速為3.0 m/s時，減阻率達到8.8%。圖11為PIV測得的鋁板表面和PU/PEA柔性壁表面速度矢量分布圖，上邊界為剛性壁或柔性壁表面，觀察上方粒子位置可以清楚地發(fā)現(xiàn)普通剛性壁和柔性壁表面流態(tài)的不同，柔性壁表面有法向的速度，具有波動的特點，而剛性壁則無。

圖10 柔性壁涂層變形示意圖

圖11 鋁板表面速度矢量分布圖（a），PU/PEA柔性壁表面速度矢量分布圖（b）[59]

郝翰林等[60]用噴涂法將質(zhì)量比為2∶3的乳膠和氨水混合溶液在轉(zhuǎn)盤上制成厚度為0.2 mm柔性壁涂層。用轉(zhuǎn)盤測阻法測試發(fā)現(xiàn)，轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速為100 r/min，即雷諾數(shù)為4.170×105時，該涂層達到最大減阻率15%。

Li等[61]用噴涂法將不同質(zhì)量比的聚二甲基硅氧烷和乙酸乙酯混合溶液噴涂在鋁盤上獲得仿生柔性涂層。聚二甲基硅氧烷和乙酸乙酯質(zhì)量比為10∶1.2時，用轉(zhuǎn)盤測阻法測得該涂層在50 r/min下的減阻率為21.6%。結(jié)果顯示，彈性是促進涂層減阻性能的主要因素，但并非發(fā)生的形變越大減阻效果越好，形變幅度超過近壁區(qū)域邊界層的厚度時，連續(xù)邊界層在近壁區(qū)域中斷，這反而會增加湍流強度和阻力。

柔性壁的制備方法不難，在實驗室測試中都有良好的表現(xiàn)，通過研究材料的分子結(jié)構(gòu)及力學性能可以得到較高減阻率的柔性表面。但在實際應用中限制條件頗多，如柔性表面與剛性部分的銜接、逆壓梯度、來流的湍流水平等，且某一種的柔性壁多只固定適用于某一雷諾數(shù)范圍的流體，雷諾數(shù)過大會導致柔性壁發(fā)生永久變形，無法釋放能量，從而得不到減阻的效果[62]。

2.3 防污涂層減阻

船體生物污損可導致船舶阻力增大60%，航速降低10%，這需增加最多40%的燃料進行補償[63]，同時船體表面性能喪失，壽命減短。防污涂層的減阻機理就是通過減少海洋生物在船體表面的附著，從而減少船舶接觸界面摩擦阻力，保持航行速度，減少燃油消耗。防污涂層第一類是傳統(tǒng)的有機錫自拋光防污涂層材料和無錫自拋光防污涂層材料。無錫自拋光防污涂層是國際海事組織（IMO）禁止使用有機錫自拋光防污涂料（TBT）后的新研發(fā)熱點。采用毒性小的銅、鋅及硅等元素代替錫元素通過酯鍵接到丙烯酸共聚物側(cè)鏈，接觸海水后酯鍵發(fā)生水解，釋放出具有防污功能的元素。殘留的共聚物生成親水性的羧基，逐漸溶解，并將內(nèi)部新的防污涂層露出。第二類是不含殺蟲劑或者含有綠色天然產(chǎn)物類殺蟲劑的新一代防污涂層。

張建斌等[64]將長鏈線型有機硅自潤滑組分化學鍵合到自拋光黏結(jié)樹脂中，與一定的無機填料復配，通過噴涂的方法制備了具有自潤滑特性的自拋光防污減阻涂層。當有機硅質(zhì)量分數(shù)超過20%時，涂層的防海藻黏附效率達到97%，減阻率達到10%以上，且防污效率與減阻率成正比。

宋美艷等[65]將表面含有“毛發(fā)狀”PEG支鏈的聚苯乙烯微球與丙烯酸酯聚合物乳液共混，同時加入甲基丙烯酸縮水甘油酯（GMA）作為共聚單體，引入環(huán)氧基團，使微球與聚合物之間發(fā)生交聯(lián)，避免微球脫落，最后采用涂覆法制備完成防污涂層。抗蛋白吸附效率均在90%以上，減阻率最大為34%。

江學志等[66]將草甘膦以酰胺鍵的形式共價接枝到丙烯酸樹脂上，合成一種側(cè)鏈接枝草甘膦丙烯酸樹脂，通過樹脂與海水的水解反應來釋放防污劑。結(jié)果顯示，隨著接枝的草甘膦含量增加，涂層抑藻性也逐漸增加。草甘膦接枝量為20%時，對藤壺生長的抑制率達58.7%，對硅藻附著的抑制率達68.2%。

Ma等[67]將可水解的聚三異丙基甲硅烷基丙烯酸酯（PTSA）作為側(cè)鏈制備了具有可降解聚酯鏈段的聚氨酯，并將其作為有機防污劑4,5–二氯–2–辛基–異噻唑酮（DCOIT）的載體。結(jié)果顯示，聚合物的降解速率隨著主鏈中酯基密度或側(cè)鏈長度的增加而增加，防污劑的釋放速率隨著側(cè)鏈長度的增加而增加。Chen等[68]制備了具有可降解聚酯鏈段的聚己二酸乙烯酯（PEA）、聚己二酸1,4–丁烯酯（PBA）和聚1,6–六亞甲基己二酸酯（PHA），使用4,5–二氯–2–辛基異噻唑酮（DCOIT）作為有機防污劑。結(jié)果顯示，聚氨酯的降解速率隨著結(jié)晶度的降低而增加，隨酯基密度的增加而增加，隨可降解鏈段含量的增加而增加，因此PEA作為鏈段且質(zhì)量分數(shù)為80%的聚酯基聚氨酯降解速率最高，在靜態(tài)水中的防污測試中，該組樣品也有最優(yōu)的表現(xiàn)。

對自拋光防污涂料缺點的改進一直有持續(xù)的研究，從有機錫到無錫自拋光防污涂層材料，再到一些新型環(huán)保自拋光防污涂料，涂料的毒性逐漸減弱，防污減阻能力逐漸提高。雖然傳統(tǒng)防污涂料的毒性一直在改進，逐漸減小，但長期使用依然有悖于綠色船舶的理念，因此發(fā)展新型環(huán)保、毒性小、不向海洋釋放有毒防污劑乃是大勢所趨。但由于這類涂料都基于接枝技術(shù)，因此其投入大規(guī)模生產(chǎn)應用不可避免有一些問題。比如，防污劑作為側(cè)鏈接枝前通常需要改性，這將降低防污劑的防污能力；接枝技術(shù)通常工藝復雜，制備要求高，這使該項技術(shù)的應用常常止步于實驗室階段。因此，保證防污劑效果的前提下尋找適合工業(yè)化生產(chǎn)的接枝工藝路線仍需要更多的研究。

3 結(jié)構(gòu)型減阻和物理化學型減阻協(xié)同作用

上述表面單獨作用下都被證實對減阻有很好的效果，但單純改變凹槽形狀、分布用以提高減阻效果已進入瓶頸，單一的減阻機理也會存在無法避免的缺陷和短板。因此對船舶減阻表面的研究不應只拘泥于一種減阻機理，可以考慮多種減阻機理協(xié)同作用以取得更好的效果。

張禎華等[69]嘗試把鯊魚皮的仿生結(jié)構(gòu)和柔性壁結(jié)合，制備新型減阻材料。將甲苯二異氰酸酯（TDI）與聚四氫呋喃二醇（PTMG）反應生成NCO–基團含量為4.80%的聚氨酯（PU）預聚體，3,3’–二氯–4,4’–二氨基二苯基甲烷（MOCA）、4–丁二醇（1,4–BD）作為擴鏈劑。用翻模法復制出鯊魚皮表面結(jié)構(gòu)，再通過澆注成型法得到仿生結(jié)構(gòu)與柔性壁協(xié)同減阻的表面，厚度約2.0 mm。用轉(zhuǎn)盤扭矩測阻方法測得，轉(zhuǎn)速為398 r/min時，減阻率為20.7%，高于無仿生結(jié)構(gòu)的純?nèi)嵝员赑U表面，展現(xiàn)了仿生結(jié)構(gòu)和柔性壁對摩擦阻力起到的協(xié)同減阻效應。

Bixler等[70]將疏水的SiO2顆粒涂覆在仿生凹槽結(jié)構(gòu)上制備不同潤濕性的溝槽，具有疏水性納米結(jié)構(gòu)的涂層比單純的凹槽結(jié)構(gòu)減少了更多的壓降，展示了仿生結(jié)構(gòu)和超疏水表面協(xié)同作用下更優(yōu)異的減阻效果。王晨飛等[71]用數(shù)學模擬的方法分析了一種具與仿生結(jié)構(gòu)相結(jié)合的超疏水減阻表面。使用雷諾時均法（RANS）對凹槽仿生結(jié)構(gòu)參數(shù)進行優(yōu)化，大渦模擬（LES）分析溝槽附近的流場特征。結(jié)果顯示，鋸齒形凹槽在流體雷諾數(shù)為2 900時的減阻率為7.3%，=15 000時，減阻率為9.1%，而仿生結(jié)構(gòu)與超疏水表面協(xié)同作用的模型，無滑移比例（即固壁占整個表面的比例）=0.16、雷諾數(shù)為15 000時，減阻率達到63%。

Rong等[72]制備了一種各向異性自潤滑表面（LIASSs），以鋁鎂合金為基板，用納秒激光掃描技術(shù)在表面燒蝕仿生魚鱗微納米結(jié)構(gòu)，將潤滑液浸漬入微納米結(jié)構(gòu)中，實現(xiàn)表面氟化。結(jié)果顯示，魚鱗結(jié)構(gòu)弧度半徑為100 μm、中心角為120°時，該表面減阻效果最好，接觸角為121°，滾動角順魚鱗方向0.5°，逆魚鱗方向3°，順魚鱗方向和逆魚鱗方向的減阻率分別為51.09%和44.88%，且隨著速度的增加，減阻率也可以保持在50%左右，表現(xiàn)了該表面在高水流速度下的穩(wěn)定性和穩(wěn)健性。

張騰蛟等[73]用激光刻蝕法在鋁合金表面制備了仿生魚鱗表面，并用硅氧烷乙醇溶液進行低表面能處理。改變仿生魚鱗表面魚鱗圓弧半徑的尺寸（圖12），直至形貌最接近真實魚鱗。得到最優(yōu)制備參數(shù)為：CAD圖案元素間距12.5 μm，激光占空比70%，刻蝕次數(shù)1～4次，魚鱗圓弧半徑100 μm。在該條件下，制備出的仿生魚鱗表面接觸角達到158°，滾動角順魚鱗方向0.5°，逆魚鱗方向2.5°，順魚鱗方向的減阻率高達40%。但存在高速水流沖擊下減阻率下降的缺點，這是由于高速水流易將表面微納米結(jié)構(gòu)中的空氣帶走，從而增加了水流與表面的接觸面積，增大了阻力。

綜合分析上述文獻不難發(fā)現(xiàn)，單一的減阻技術(shù)達到的減阻效率均小于30%，結(jié)構(gòu)型減阻效率甚至小于15%（除計算模擬結(jié)果），而將結(jié)構(gòu)型與物理化學型結(jié)合，減阻效率均大于單純結(jié)構(gòu)型減阻，最高甚至達到50%。因此結(jié)構(gòu)型減阻與物理化學型減阻（超疏水減阻、柔性壁減阻、防污涂層減阻）協(xié)同作用，是十分可行并且有研究前景的，可突破單一減阻理論帶來的局限，更好地實現(xiàn)船舶減阻。在結(jié)合過程中，可取兩者各自最優(yōu)的制備方案，再根據(jù)實驗數(shù)據(jù)調(diào)節(jié)制備參數(shù)，以獲得最優(yōu)的減阻效率。而研究多方協(xié)同作用的過程中，困難之處在于影響實驗結(jié)果的因素過多，難以確定和分析影響數(shù)據(jù)的主要因素，從而難以對應調(diào)整制備參數(shù)。因此，在后續(xù)研究中，可從少因素開始，分析每個因素對效果產(chǎn)生的影響，再逐漸累積到多因素協(xié)同作用，以最終研發(fā)出優(yōu)異性能的減阻材料。

圖12 直徑分別為的仿生魚鱗表面SEM圖[73]

4 總結(jié)

目前可應用于綠色船舶的被動減阻方法主要包括結(jié)構(gòu)型、物理化學型減阻，通過改變船舶表面微觀結(jié)構(gòu)、柔性、超疏水性、防污性能等，實現(xiàn)穩(wěn)定邊界層、減少湍流轉(zhuǎn)變、減輕船舶重量，最終減少船舶阻力。但現(xiàn)有研究過多注重于單一的仿生結(jié)構(gòu)或材料減阻等方面，而單一的減阻形式往往難以實現(xiàn)船舶減阻的有效突破，開展結(jié)構(gòu)型與物理化學型減阻方法的協(xié)同研究，可實現(xiàn)船舶減阻的提升。后續(xù)性能測試中也應注重并加強現(xiàn)場應用研究。

另外，隨著先進制造方法的出現(xiàn)，如激光3D打印增材制造技術(shù)、激光熔覆、圖像識別智能噴涂等技術(shù)，可為實現(xiàn)船舶減阻結(jié)構(gòu)型與物理化學型有效結(jié)合提供條件。例如，可采用3D打印增材制造技術(shù)直接制備具有耐磨、耐蝕、抗菌或超疏水材質(zhì)的仿生結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)船舶的長時效、高效減阻。在實際應用中，也應關(guān)注所選制備方法與制備選材的穩(wěn)定性、廣泛適用性、經(jīng)濟實用性及標準統(tǒng)一性等問題，以便減阻技術(shù)的市場化應用，推動航運業(yè)實現(xiàn)“碳達峰、碳中和”。

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Research Progress of Surface Engineering Technology for Ship Drag Reduction

1,1,1,2,1,3,1,1

(1. Merchant Marine College, Shanghai Maritime University, Shanghai 201306, China; 2. Shanghai MORFANT New Material Technology Co., LTD, Shanghai 201505, China; 3. Shanghai Nano Technology and Industry Development Promotion Center, Shanghai 200237, China)

Drag reduction of ship is the key to realize energy saving, emission reduction and green low-carbon ship building. Ship drag reduction methods can be divided into active drag reduction and passive drag reduction. The former mainly includes ship structure optimization design, polymer drag reduction, air curtain drag reduction and so on. Active drag reduction reduce drag by optimizing the design of the ship, adding polymers or bubble curtains to the fluid. Passive drag reduction methods are more varied, which include bionic structure, flexible coating, super hydrophobic coating and antifouling coating. According to the mechanism, ship drag reduction is divided into structural type and physicochemical type in the paper. Structural drag reduction achieves the drag reduction by biomimetic construction of aquatic surface structures (such as shark skin and fish scales). The main types of biomimetic texture include pits, grooves, convex hull, ripples, scales and composite types. Physicochemical drag reduction gives the surface certain characteristics such as flexibility, super hydrophobicity, antifouling, etc. It achieves the purpose of drag reduction by reducing surface friction resistance, improving boundary stability and reducing dead weight. The construction methods of structural drag reduction surface mainly include wire cutting technology (EDM), rolling forming technology, embossing method, casting and turning method, coating spraying processing technology, laser etching method, three-dimensional printing method, etc. The construction methods of physicochemical drag reduction surface mainly include coating spraying processing technology, spinning coating method, chemical corrosion method, sol-gel method, electrochemical deposition, electrospinning, phase separation, plasma treatment and so on. In recent years, the research achievements of active drag reduction methods are relatively mature. The research on passive drag reduction methods is also increasing, but the research on passive drag reduction methods mainly focuses on drag reduction mechanism, drag reduction construction method and drag reduction effect simulation. The simulation and field experiment of passive drag reduction method and the research on the cooperative mechanism of multiple drag reduction methods are still lacking. Both the structural drag reduction surface and the physicochemical drag reduction surface have been proved to be effective in reducing drag. However, the single drag reduction mechanism will have unavoidable defects and bottlenecks. For example, in biomimetic structures, it is difficult to greatly improve drag reduction by simply changing the shape and distribution of grooves. The synergistic effect of structural drag reduction and physicochemical drag reduction has been proved to break through the limitations of the single drag reduction theory. The drag reduction efficiency of the synergistic effect is greater than that of the simple structural drag reduction, and the maximum drag reduction efficiency is even 50%, which can better achieve the ship drag reduction. Based on these, the research status of above drag reduction technology is reviewed in this paper. The mechanism and construction method of drag reduction, as well as the problems and poor effect of single drag reduction method are summarized. The synergy of various drag reduction methods are put forward to solve the existing problems. Finally, the development trend of ship drag reduction technology is indicated, which guide the research and application of ship drag reduction.

bionic structure; flexible coating; super hydrophobic; antifouling coating; ship drag reduction

2022-07-19；

2022-08-21

GUO Le-yang (1998-), Female, Postgraduate, Research focus: new materials for ships.

李文戈（1966—），男，博士，教授，主要研究方向為船舶新材料和表面涂層技術(shù)與應用。

LI Wen-ge (1966-), Male, Doctor, Professor, Research focus: new materials for ships, technology and application of surface coating.

郭樂揚, 阮海妮, 李文戈, 等. 船舶減阻表面工程技術(shù)研究進展[J]. 表面技術(shù), 2022, 51(9): 53-64.

TH117

A

1001-3660(2022)09-0053-12

10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2022.09.000

2022–07–19；

2022–08–21

國家自然科學基金面上項目（52072236）；上海市科技計劃（20DZ2252300）;上海高水平地方高校創(chuàng)新團隊（海事安全與保障）；國家自然科學基金青年項目（52002242）

Fund：The National Natural Science Foundation of China (52072236); the Science & Technology Commission of Shanghai Municipality and Shanghai (20DZ2252300); Shanghai High-level Local University Innovation Team (Maritime Safety & Technical Support); the National Natural Science Foundation of China (52002242)

郭樂揚（1998—），女，碩士研究生，主要研究方向為船舶新材料。

GUO Le-yang, RUAN Hai-ni, LI Wen-ge, et al. Research Progress of Surface Engineering Technology for Ship Drag Reduction[J]. Surface Technology, 2022, 51(9): 53-64.

責任編輯：萬長清