面向功能表面的激光仿生制造技術(shù)研究進(jìn)展

沈 洪，任浩東，李海東

（1.上海交通大學(xué) 機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院，上海 200240；2.上海機(jī)電工程研究所，上海 201109）

0 引 言

為了提高飛行器的飛行效能，降低其維護(hù)成本，各國針對飛行器表面疏水、防冰、防腐、減阻及吸波性能的提高進(jìn)行了大量研究［1-4］。

高速飛行器表面冰的形成會(huì)改變其空氣動(dòng)力學(xué)參數(shù)，容易引發(fā)飛行事故，同時(shí)造成不必要的光學(xué)或電磁屏蔽，增加質(zhì)量。NASA 蘭利研究中心［5］開發(fā)了多種疏水和防冰涂層，可以降低冰點(diǎn)、抑制冰的重結(jié)晶，同時(shí)降低冰的黏附強(qiáng)度，使得積冰更易脫落。西班牙國家航空航天研究所［6］使用液體注入多孔表面疏水涂層覆蓋鋁合金表面，發(fā)現(xiàn)擁有微納結(jié)構(gòu)疏水涂層的表面結(jié)冰量最大降低了45%，冰黏附強(qiáng)度從403 kPa 減少到最低23 kPa。以色列國防部拉斐爾先進(jìn)防御系統(tǒng)有限公司［7］發(fā)明了一種表面疏水的防冰涂層，用于減少導(dǎo)彈等高速飛行器在穿越雨、雪、云層區(qū)域時(shí)的結(jié)冰量，提高導(dǎo)彈的空氣動(dòng)力學(xué)性能。

飛行器的防腐對于延長飛行器壽命以及保持飛行器表面的空氣動(dòng)力學(xué)性能具有重要的意義。NASA蘭利研究中心［8］開發(fā)了一種具有優(yōu)異超疏水特性的共聚環(huán)氧涂層，可以有效減少微生物附著，抑制生物膜的形成，降低粉塵附著力，提高抗氧化性，具有較好的耐腐蝕特性。波音公司［9］曾在ecoDemonstrator 757機(jī)型上測試了多種疏水防昆蟲附著涂層，其目的是使機(jī)翼減少昆蟲殘留物、污垢、冰和生物有機(jī)體黏附。海洋化工研究院有限公司［10］發(fā)明了一種海洋環(huán)境用熱防護(hù)涂料及制備方法，該涂料具有高強(qiáng)度、耐高溫?zé)g、耐鹽霧、耐濕熱、耐紫外老化的特點(diǎn)，可以為長期在海洋環(huán)境下使用的戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈、海上發(fā)射的火箭等面臨高溫的部位提供熱防護(hù)。

減阻性能一方面能提高飛行器的飛行速度，另一方面能減小其燃料消耗，提升飛行器續(xù)航能力?？罩锌蛙嚬荆?1］將A320試驗(yàn)機(jī)表面積的70%貼上溝槽薄膜，達(dá)到了節(jié)油1%～2%的效果。NASA 蘭利中心［12］對Learjet 型飛機(jī)的飛行試驗(yàn)表明，溝槽結(jié)構(gòu)能夠?qū)崿F(xiàn)減阻6%的效果。

隨著偵測打擊技術(shù)的不斷提升，良好的隱身效果能夠大大提高飛行器在復(fù)雜戰(zhàn)場環(huán)境中的生存能力。美國的AIM-152 先進(jìn)遠(yuǎn)距空空導(dǎo)彈、“海弗·達(dá)什”Ⅱ（Have Dash Ⅱ）隱身中距空空導(dǎo)彈以及AIM-9X Block Ⅱ+近距空空導(dǎo)彈，通過改進(jìn)彈體外形和結(jié)構(gòu)部件、使用吸波材料制造及表面外覆吸波涂層等措施，顯著提升了導(dǎo)彈的隱身性能［13］。美軍的X-47B、MQ-25 黃貂魚無人機(jī)，歐洲的BAE 雷神、達(dá)索神經(jīng)元無人機(jī)，以及俄軍的蘇霍伊S-70 無人機(jī)等，通過機(jī)身扁平化設(shè)計(jì)、翼身融合布局、復(fù)合材料機(jī)身外覆吸波涂層、優(yōu)化進(jìn)排氣系統(tǒng)等方式，大幅降低了紅外和雷達(dá)可探測性，提高了無人機(jī)的生存能力［14］。

在當(dāng)前研究中，對于疏水、防冰、防腐、減阻，以及吸波表面的設(shè)計(jì)很多受到自然生物的啟發(fā)，例如荷葉的自清潔特性、水黽能夠在水面上行走功能、蟬翼具有殺菌功能、鯊魚盾鱗擁有很好的流體減阻特性、蛾眼具有優(yōu)異的減反射性能等。功能性表面的制備方法也多種多樣，包括涂層法、模板復(fù)制法、光刻法、自組裝法、電化學(xué)沉積法、化學(xué)腐蝕法、等離子刻蝕法等。但是，這些方法都或多或少存在一定的局限性，如加工步驟復(fù)雜、加工材料受限、可加工結(jié)構(gòu)單一等［15］。探索簡單通用并且可以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜形貌構(gòu)建及性能穩(wěn)定的多功能表面制備方法，依然是該研究領(lǐng)域的重要發(fā)展方向。近年來，激光加工以其加工精度高、材料適用范圍廣、自動(dòng)化程度高等優(yōu)勢，受到了研究者的廣泛關(guān)注［16］。隨著超短脈沖激光的快速發(fā)展，飛秒激光由于其極窄的脈寬和極高的峰值功率，獨(dú)具“冷”加工特性，可以實(shí)現(xiàn)超高精度加工，在制備功能性微納結(jié)構(gòu)表面領(lǐng)域具有較大的應(yīng)用潛力［17］。

本文以導(dǎo)彈、飛機(jī)等飛行器表面的性能提高為出發(fā)點(diǎn)，系統(tǒng)總結(jié)了近年來功能性微納結(jié)構(gòu)表面的激光仿生制造相關(guān)研究，并從材料表面疏水、防冰、防腐、減阻以及吸波功能等方面進(jìn)行了歸納介紹，最后對該領(lǐng)域所面臨的挑戰(zhàn)與發(fā)展趨勢進(jìn)行了討論、展望。

1 仿生疏水、防冰表面的原理及制備

1.1 疏水表面

潤濕性由表面的化學(xué)組成和微觀形貌共同決定，是固體材料表面的一個(gè)重要特性，一般采用接觸角和滾動(dòng)角進(jìn)行表征［18］。通常當(dāng)接觸角＜90°時(shí)，認(rèn)為該表面為親水表面；當(dāng)接觸角＜10°時(shí)，認(rèn)為該表面為超親水表面；當(dāng)接觸角＞90°時(shí)，認(rèn)為該表面為疏水表面；當(dāng)接觸角＞150°時(shí)，認(rèn)為該表面為超疏水表面。滾動(dòng)角反映了材料表面與水滴的黏滯性，當(dāng)接觸角＜10°時(shí)，說明該表面具有極低的黏滯性；超疏水表面也應(yīng)當(dāng)同時(shí)具備極低的黏滯性，使得液滴更易從表面滑落。

自然界中，為適應(yīng)復(fù)雜的氣候環(huán)境，諸多生物都具備疏水或超疏水性的結(jié)構(gòu)，如荷葉、玫瑰花瓣、水稻葉、水黽足、沙漠甲蟲外殼、蝴蝶翅膀等。Barthlott等［19］對多種植物葉片進(jìn)行觀察，揭示了荷葉疏水的原理。如圖1（a）所示，通過電子顯微鏡觀察，發(fā)現(xiàn)荷葉表面分布著大量微米級(jí)的乳突結(jié)構(gòu)，并且覆蓋著一層納米級(jí)的蠟質(zhì)晶體棒狀結(jié)構(gòu)，這些微納結(jié)構(gòu)俘獲大量空氣，使得水滴被托起，產(chǎn)生了疏水效果。Gao 等［20］指出水黽能夠在水面上滑行是由于腿部生長著很多長約50 μm 的剛毛（圖1（b）），其表面覆蓋著角質(zhì)層蠟，并且剛毛上排布著納米級(jí)溝槽結(jié)構(gòu)，溝槽可以俘獲空氣，從而支撐起水黽的整個(gè)身體。Feng 等［21］發(fā)現(xiàn)水稻葉片具有疏水性的同時(shí)，其潤濕性是各向異性的（圖1（c）），由于表面乳突結(jié)構(gòu)的溝槽狀排列，使得水滴沿著溝槽方向的滾動(dòng)角為3°～5°，垂直于溝槽方向的滾動(dòng)角為9°～15°。通過對生物表面的觀察，可以發(fā)現(xiàn)材料表面的疏水性由其表面的低表面能物質(zhì)和微納粗糙結(jié)構(gòu)共同決定，表面的空氣駐留量是決定疏水性能的關(guān)鍵。

圖1 自然界中具有超疏水微觀結(jié)構(gòu)表面的生物［22］Fig.1 Organisms with a superhydrophobic microstructured surface in nature［22］

為了使其他材料表面也能夠獲得像荷葉等生物一樣的超疏水特性，研究者們應(yīng)用激光技術(shù)進(jìn)行了超疏水表面的仿生制造。Long 等［23］使用飛秒激光直接在銅表面進(jìn)行水平和垂直方向的掃描（圖2（a）），形成了微錐狀陣列（圖2（b）），使其表面覆蓋一層納米顆粒，通過改變激光掃描速度，改變微結(jié)構(gòu)的形貌（圖2（c）），獲得不同的疏水與黏滯性能，最終得到的最優(yōu)超疏水表面接觸角為160°，滾動(dòng)角為1°。張明池等［24］采用飛秒激光直寫的方式在不銹鋼表面加工產(chǎn)生了微米柱陣列，由于不銹鋼為本征親水材料，粗糙結(jié)構(gòu)的增加使得材料潤濕性加強(qiáng)，因此激光加工過后的表面呈現(xiàn)出超親水狀態(tài)。Wu等［25］同樣使用飛秒激光在不銹鋼表面進(jìn)行燒蝕，加工形貌呈現(xiàn)出具有微米級(jí)錐狀尖峰以及亞微米級(jí)激光誘導(dǎo)周期性條紋（laserinduced periodic surface structure，LIPSS）的兩級(jí)結(jié)構(gòu)，然后使用硅烷試劑進(jìn)行低表面能處理，最終獲得接觸角166.3°、滾動(dòng)角4.2°的超疏水表面。

圖2 飛秒激光燒蝕銅表面制備不同浸潤性表面［23］Fig.2 Femtosecond laser ablation of copper surface to prepare different wettability surfaces［23］

1.2 防冰表面

材料表面的防冰性能主要體現(xiàn)在兩個(gè)方面：① 防結(jié)冰性能，即水滴在結(jié)冰之前從材料表面脫離，可以通過延長過冷水滴的結(jié)冰時(shí)間和加速液滴的脫離兩種方式來實(shí)現(xiàn)；② 疏冰性能，即降低冰與材料表面的黏附強(qiáng)度，即使水滴已經(jīng)結(jié)冰，也能在自身重力、風(fēng)力、振動(dòng)等外力的作用下輕易脫離表面［26］。

對于面向防冰功能的仿生研究主要基于仿生疏水表面，如仿荷葉疏水表面、仿玫瑰花瓣疏水表面等。其他的仿生防冰、疏冰策略，例如通過對沙漠甲蟲、極地魚類的研究，發(fā)現(xiàn)這些生物體內(nèi)存在大分子的抗凍蛋白，可以控制冰晶形成和生長［27］。本文主要針對基于物理微納結(jié)構(gòu)防冰的仿生超疏水表面進(jìn)行介紹。

Alizadeh 等［28］對比了未處理（親水）、低表面能處理（疏水）、微納結(jié)構(gòu)+低表面能處理（超疏水）3 種表面的防冰性能，發(fā)現(xiàn)親水和疏水表面在未降到過冷溫度就開始結(jié)冰，而超疏水表面在達(dá)到過冷溫度后保持了60 s 才開始結(jié)冰。其中，水滴和基底材料的接觸面積是影響結(jié)冰成核速率的關(guān)鍵因素。Volpe 等［29］研究了超疏水表面的動(dòng)態(tài)抗結(jié)冰性能，利用飛秒激光直掃技術(shù)在鋁合金材料上制備了超疏水表面；實(shí)驗(yàn)中，將試樣傾斜小角度后，水滴從起始端滴落，3 min 后，未處理表面覆蓋了冰層，而激光處理表面則沒有產(chǎn)生結(jié)冰現(xiàn)象（圖3（a）～3（b））。Pan 等［30］使用超快激光復(fù)合法在銅表面制備了仿荷葉的三級(jí)微納超疏水表面（圖3（c）～3（d）），通過凝結(jié)液滴的合并誘導(dǎo)自彈跳以及分級(jí)冷凝機(jī)制，使液滴快速脫離材料表面，大幅延長結(jié)冰時(shí)間，同時(shí)使冰黏附強(qiáng)度從240 kPa 降低到20 kPa以下。

圖3 防冰表面結(jié)構(gòu)及其性能Fig.3 Anti-icing surface structure and performance

2 仿生防腐表面的原理及制備

對于飛行器，實(shí)現(xiàn)防腐的主要方式是防止蒸汽、雨水、鹽水、灰塵和霉菌的侵入。尤其是在海洋和海岸環(huán)境，以及在高溫、高濕、高鹽霧、強(qiáng)紫外線和微生物的綜合作用下，部件的腐蝕會(huì)進(jìn)一步加劇，縮短了飛行器的壽命［31］。因此，材料表面的防腐研究也通常圍繞疏水、防霉和自清潔進(jìn)行展開。

2.1 綜合防腐表面

豬籠草是一種熱帶食蟲性植物，它依靠籠口邊緣極強(qiáng)的潤滑性，使停留在籠口的昆蟲很容易滑落到籠內(nèi)部被消化吸收。Chen等［32］通過掃描電鏡分析，發(fā)現(xiàn)豬籠草口緣區(qū)表面具有幾乎平行分布的兩級(jí)溝槽，且在第2 級(jí)溝槽內(nèi)分布著朝向一致、層疊分布的“鴨嘴狀”楔形盲孔陣列結(jié)構(gòu)（圖4（a））。這些親水孔隙結(jié)構(gòu)的存在，使?jié)櫥嚎梢暂p易填充形成潤滑層，昆蟲在潤滑層上爬行則會(huì)滑入捕蟲籠內(nèi)被捕食。豬籠草口緣區(qū)這種獨(dú)特的超滑表面結(jié)構(gòu)使其具有了疏液、抗凝、防污、防腐等多種功能［33］。

圖4 豬籠草的表面結(jié)構(gòu)及其仿生制備Fig.4 Surface structure of nepenthes and its bionic preparation

Wong 等［34］首次報(bào)道了仿豬籠草的液體灌注多孔超滑表面的制備方法，在材料表面構(gòu)建一層多孔網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，然后在其內(nèi)部注入潤滑液形成潤滑層（圖4（b））。超滑表面的制備需要滿足條件：① 潤滑液可以通過毛細(xì)力滲透進(jìn)基底并保持穩(wěn)定；② 相比被排斥的液體，潤滑液與材料擁有更高的親和力；③ 被排斥的液體與潤滑液不會(huì)發(fā)生混溶。Yong 等［35］在聚合物材料PA6 上使用飛秒激光直寫技術(shù)制備出多孔結(jié)構(gòu)，后經(jīng)過氟化處理及硅油注入，形成超滑表面（圖4（c）），該表面不僅具有疏水性，對于咖啡、牛奶、蛋清以及十六烷、甘油等低表面張力液體也具有較好的疏液性。

飛秒激光燒蝕聚合物材料的過程中，會(huì)伴隨著高溫、高壓等離子體以及大量氣體的產(chǎn)生，正是這些氣體從基體內(nèi)部穿過熔融區(qū)域，才生成了三維網(wǎng)狀多孔結(jié)構(gòu)。這些氣體很大一部分是在光子作用下發(fā)生化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的［36］。金屬產(chǎn)生氣體更加困難，因此三維多孔結(jié)構(gòu)的制造過程也更加復(fù)雜。Fang 等［37］利用酒精輔助飛秒激光在不銹鋼表面上燒蝕產(chǎn)生多孔結(jié)構(gòu)，在激光燒蝕過程中，由于液體乙醇的限制，在基體和乙醇的界面上會(huì)產(chǎn)生高溫、高壓、高密度的等離子體，等離子體會(huì)加強(qiáng)對基體的刻蝕，使周圍的液體氣化和電離，產(chǎn)生許多微氣泡，形成多孔結(jié)構(gòu)。

2.2 抗菌表面

抗菌可以分為抗細(xì)菌粘附和殺菌兩種方式，抗細(xì)菌粘附通常是通過在材料表面構(gòu)建微納結(jié)構(gòu)，進(jìn)行低表面能修飾，減少細(xì)菌在表面的粘附；殺菌是通過材料表面的微觀物理結(jié)構(gòu)或化學(xué)物質(zhì)殺死粘附在材料表面的細(xì)菌。

在自然界中，蜻蜓和蟬等昆蟲為了避免翅膀受到細(xì)菌污染，影響空氣動(dòng)力學(xué)性能，進(jìn)化出了抗菌特性；壁虎等爬行動(dòng)物為了避免皮膚受到細(xì)菌污染從而感染疾病也進(jìn)化出了抗菌特性。通過觀察分析這些生物表面的微觀構(gòu)造，明確了其抗菌原理（圖5（a）、圖5（b））。蟬翼表面具有規(guī)則排列的尖銳納米錐狀結(jié)構(gòu)，當(dāng)細(xì)菌與其接觸時(shí)，納米錐刺穿細(xì)菌細(xì)胞膜，導(dǎo)致細(xì)胞質(zhì)流出，造成細(xì)菌死亡［38］；蜻蜓翅膀上分布著高低錯(cuò)落的納米柱，細(xì)菌細(xì)胞膜表面的胞外聚合物粘附于蜻蜓翅膀表面后，當(dāng)細(xì)菌嘗試移動(dòng)時(shí)，細(xì)胞膜因受到較大剪切力而破裂［39］；壁虎通過表面的細(xì)長微刺結(jié)構(gòu)，依靠穿刺、撕裂、擠壓、剪切等多種方式造成細(xì)菌細(xì)胞的破裂［40］；豬籠草則是通過超滑表面的疏水特性抵抗細(xì)菌粘附，通過納米刀片結(jié)構(gòu)殺死細(xì)菌［41］。

圖5 生物抗菌表面及其仿生制備Fig.5 Biological antibacterial surface and its bionic preparation

Wu 等［42］受到蟬翼及壁虎皮膚抗菌的啟發(fā)，使用飛秒激光在鈦合金表面上構(gòu)造粗糙微納結(jié)構(gòu)，將金黃色葡萄球菌和表皮葡萄球菌在基底上培養(yǎng)6 h 后，發(fā)現(xiàn)激光處理后的表面細(xì)菌粘附量只有未處理表面的1/10，同時(shí)骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞的繁殖得到促進(jìn)，說明飛秒激光處理后的表面具有良好的抗菌特性和生物相容性。Cheng等［43］使用飛秒貝塞爾激光在鎳鈦合金表面構(gòu)建多孔微結(jié)構(gòu)，并將潤滑液注入獲得仿豬籠草超滑表面。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，該表面具有優(yōu)異的抗纖維蛋白粘附及抗菌性能，對大腸桿菌、金黃色葡萄球菌的抑菌率分別達(dá)到98.14%和99.32 %（圖5（c））。Lutey 等［44］使用飛秒激光在316 L 不銹鋼基底上加工出微米尖峰陣列、激光誘導(dǎo)周期性表面結(jié)構(gòu)和納米錐陣列3 種表面?？咕鷮?shí)驗(yàn)結(jié)果表明，微米尖峰陣列表面沒有明顯的抗菌效果，LIPSS 和納米錐陣列表面對大腸桿菌抑菌率分別為99.8%和99.2%，對金黃色葡萄球菌的抑菌率分別為84.7%和79.9%。

3 仿生減阻表面的原理及制備

傳統(tǒng)的觀點(diǎn)認(rèn)為接觸面越光滑，摩擦阻力越小，但是大量的流體實(shí)驗(yàn)和研究發(fā)現(xiàn)，粗糙表面有時(shí)會(huì)比光滑表面擁有更好的減阻效果。在自然界中，許多魚類和昆蟲的表皮或外殼特殊的表面粗糙結(jié)構(gòu)都具有良好的流體減阻性能。

3.1 仿鯊魚盾鱗減阻表面

Reif 和Dinkelacker［45］首先發(fā)現(xiàn)鯊魚皮表面具有復(fù)雜的微納形貌，相對于絕對光滑的表面，這些微納形貌對某些條件下的湍流具有減阻作用。掃描電子顯微鏡圖像如圖6（a）所示，由圖可見鯊魚皮表面由密集分布的盾鱗構(gòu)成，盾鱗的大小有差異，但是均呈現(xiàn)微凸形狀，并且表面分布著數(shù)個(gè)順流向的微溝槽［46］。關(guān)于鯊魚盾鱗順流向溝槽減阻原理的假說有很多，主要有二次渦群論、展向流動(dòng)抑制論、流向渦抬升論、滑移速度論等。各理論的核心思想即微溝槽結(jié)構(gòu)通過對湍流流體中大型渦流的抑制、大型渦流的抬升或者減少大型渦流的展向流動(dòng)等，抑制高速高能的湍流，與近壁面的低速流體進(jìn)行能量交換，擴(kuò)大近壁面層流區(qū)范圍，減小近壁面流體的速度梯度［47］。

圖6 鯊魚盾鱗微觀結(jié)構(gòu)及其仿生制備Fig.6 Microstructure and bionic preparation of shark shield scale

仿鯊魚盾鱗的減阻表面研究通常圍繞微溝槽或肋片的制備技術(shù)展開。?emaitis等［49］使用紫外皮秒激光在聚四氟乙烯（Polytetrafluoroethylene，PTFE）基底上，通過逐行掃描的方式，制造出仿鯊魚盾鱗的肋片結(jié)構(gòu)（圖6（b）、6（c）），通過改變肋片的尺寸和間距，找到最優(yōu)的減阻結(jié)構(gòu)參數(shù)。當(dāng)肋片的間距為14～20（量綱為1）時(shí)，對比未加工的光滑表面，擁有肋片結(jié)構(gòu)的表面最大可以減少6%的空氣阻力。Büttner等［50］受到鯊魚盾鱗結(jié)構(gòu)的啟發(fā)，使用皮秒激光在航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片涂層上加工出溝槽結(jié)構(gòu)，通過在油道內(nèi)進(jìn)行壁面切應(yīng)力測試，發(fā)現(xiàn)在設(shè)定速度為0.5 馬赫的情況下，當(dāng)肋片的間距為20.5（量綱為1）時(shí)，壁面切應(yīng)力最高可以減少4.9%，證明肋狀設(shè)計(jì)可以有效減小葉片表面空氣阻力。Xie等［51］采用一步激光燒蝕法制備了仿生微溝槽陣列涂層，該涂層具有良好的疏水、防腐及減阻性能。在27.7 m/s和33.3 m/s的速度下進(jìn)行風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明，垂直于流動(dòng)方向的微溝槽陣列有利于減阻，減阻率可達(dá)7.2%。

3.2 仿普通魚鱗凹坑/凸包結(jié)構(gòu)減阻表面

魚類經(jīng)過數(shù)百萬年的演變，表皮進(jìn)化出了優(yōu)異的流體減阻特性。魚鱗結(jié)構(gòu)的顯微圖如圖7所示。由圖7（a）可見，鱗片在魚的體表呈現(xiàn)出覆瓦狀的層疊排列特征，單片魚鱗整體呈現(xiàn)凸包結(jié)構(gòu)，在魚鱗的相疊區(qū)域則形成了凹坑結(jié)構(gòu)，同時(shí)在魚鱗的后區(qū)表面上還分布著更加微小的月牙形突起或凹坑結(jié)構(gòu)［52］。這種凹坑結(jié)構(gòu)的減阻原理為，當(dāng)流體經(jīng)過凹坑結(jié)構(gòu)時(shí)，凹坑內(nèi)部會(huì)形成渦旋（圖7（b）），旋渦的上部與來流方向基本一致，速度梯度較小，下部與來流方向相反，會(huì)在凹坑底部產(chǎn)生反向摩擦力，導(dǎo)致凹坑區(qū)域流體與材料表面的摩擦阻力大幅降低［53］。這種利用渦旋的獨(dú)特減阻方式與滾動(dòng)軸承十分相似，因此，該種減阻原理也被普遍稱為“滾動(dòng)軸承”理論。近年來，更多研究發(fā)現(xiàn)，不僅是凹坑結(jié)構(gòu)，垂直于流向的橫向溝槽也能夠起到類似于“滾動(dòng)軸承”的減阻作用［54］。

圖7 魚鱗表面結(jié)構(gòu)及其仿生制備Fig.7 Surface structure of fish scale and its bionic preparation

Rong 等［55］受魚鱗表面啟發(fā)，提出使用激光燒蝕鎂鋁合金產(chǎn)生潤滑液注入各向異性超滑表面，該表面形貌類似魚鱗層疊排布（圖7（c）），形成凸包和凹坑結(jié)構(gòu)，產(chǎn)生渦旋減阻作用。在層流仿真模型中，可以實(shí)現(xiàn)減阻33.86%；在液固界面摩擦實(shí)驗(yàn)中，可以實(shí)現(xiàn)減阻51.09%。Wu 等［56］對魚鱗后區(qū)月牙形突起結(jié)構(gòu)進(jìn)行仿生制造，使用激光在塑料板表面加工出長約300 μm、寬約250 μm 的月牙形突起結(jié)構(gòu)，在低速流場中，渦流產(chǎn)生于突起結(jié)構(gòu)后側(cè)，相比平滑表面，最高可以實(shí)現(xiàn)減阻2.805%。Rong等［57］使用納秒激光在鋁鎂合金板上制造出扇形魚鱗狀凹坑陣列，該表面在捕獲氣泡和誘導(dǎo)渦流減阻的雙重作用下，在流速4.448 m/s的水中可以實(shí)現(xiàn)減阻40.52%。

4 仿生吸波表面的原理及制備

飛行器隱身技術(shù)包括雷達(dá)隱身、紅外隱身、射頻隱身、聲隱身和可見光隱身等，其中雷達(dá)和紅外隱身技術(shù)是當(dāng)前研究和發(fā)展的重點(diǎn)。飛行器對雷達(dá)隱身可以通過特殊的外形和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，應(yīng)用吸波和透波材料及表面來實(shí)現(xiàn)；紅外隱身可以通過降低表面的氣動(dòng)加熱及其對太陽紅外輻射的反射、對發(fā)動(dòng)機(jī)噴管和尾焰進(jìn)行遮擋等方式來實(shí)現(xiàn)［58］。吸波材料與表面對可見光波段，紅外輻射的近紅外、中紅外、遠(yuǎn)紅外波段，常規(guī)厘米波雷達(dá)、毫米波雷達(dá)的微波波段，甚至是米波和短波雷達(dá)的甚高頻、高頻波段均有一定的減反增透的吸波效果，因此受到了廣泛的關(guān)注與研究。

在自然界中，具有減反增透特性的生物表面有很多，其中最典型的便是蛾的復(fù)眼表面。蛾的復(fù)眼由呈六邊形的微米級(jí)小眼構(gòu)成，在小眼的表面上，覆蓋著密密麻麻的圓錐形納米乳突結(jié)構(gòu)，如圖8（a）所示。這種獨(dú)特的微納結(jié)構(gòu)能夠增加進(jìn)光量、減少光反射，使蛾眼具有良好的夜視能力，同時(shí)躲避天敵的追蹤［59］。這種微納結(jié)構(gòu)的減反射機(jī)理是介質(zhì)分界面處的漸變梯度折射率分布：對于尺寸遠(yuǎn)大于光波長的宏觀結(jié)構(gòu)單元，入射光被部分吸收后通常會(huì)產(chǎn)生反射和散射（圖8（b））；當(dāng)結(jié)構(gòu)尺寸與光波長相當(dāng)時(shí)，光線會(huì)被困在間隙中，產(chǎn)生多次內(nèi)部反射，實(shí)現(xiàn)入射輻射的最大吸收（圖8（c））；當(dāng)入射光波長大于結(jié)構(gòu)尺寸時(shí)，光對這些亞波長結(jié)構(gòu)不敏感，并傾向于逐漸彎曲，相當(dāng)于通過具有梯度折射率分布的均勻介質(zhì)（圖8（d）～（e））［60］。大量研究發(fā)現(xiàn)，這種減反增透的功能特性不僅限于蛾眼表面高深徑比的圓錐狀結(jié)構(gòu)，在復(fù)雜微納結(jié)構(gòu)的粗糙表面還具有一定的吸波性能。

圖8 蛾眼表面結(jié)構(gòu)及其仿生制備Fig.8 Surface structure of moth eyes and its bionic preparation

游錦達(dá)［62］使用飛秒激光，在金屬鈦、鋁、鐵、鎳等金屬材料表面制備周期性微納米結(jié)構(gòu)，并研究了其電磁波吸收特性。結(jié)果表明，加工過的金屬表面在可見光波段的吸收率＞95%，在紅外波段的吸收率＞90%，具有明顯的寬光譜吸收特性。在微波段則體現(xiàn)出對特定頻段的選擇性吸收特性，但是仍然具有明顯的吸波效果。夏安南等［63］采用皮秒激光和微細(xì)銑削復(fù)合加工的方式，在羰基鐵-環(huán)氧樹脂基吸波材料上制造出具有亞毫米級(jí)溝槽、微米級(jí)溝槽和納米級(jí)顆粒覆蓋的粗糙結(jié)構(gòu)表面，相比單純進(jìn)行微細(xì)銑削或者激光加工的表面，復(fù)合加工表面擁有更好的吸波效果，可將吸波材料在微波段的最大反射損耗從-36.5 dB 提升至-45.2 dB。Fan 等［17］采用超快激光掃描的方式在金屬表面進(jìn)行加工，通過改變激光參數(shù)，獲得了單級(jí)微米級(jí)乳突結(jié)構(gòu)，以及微米級(jí)乳突和納米顆粒沉積的復(fù)合微納結(jié)構(gòu)（圖8（f））。實(shí)驗(yàn)測試了兩種結(jié)構(gòu)表面在波長250～2 250 nm 的吸波效果，結(jié)果顯示，復(fù)合微納結(jié)構(gòu)擁有更好的吸波性能，在Cu、Ti和W 金屬表面的紫外、可見光、近紅外光譜中，平均反射率分別為4.1%、2.4%和3.2%（圖8（g））。Takaku 等［64］使用飛秒激光在鋁表面上構(gòu)建出大面積金字塔形微錐陣列，該結(jié)構(gòu)用于低通濾波器上的抗反射涂層，其在7～105 GHz 的毫米波段僅有1%的反射損失，減反射性能達(dá)到未處理表面的45 倍。Zhang 等［65］使用飛秒激光在高電阻硅基底上構(gòu)建出微米深孔陣列，微孔的入口處及內(nèi)壁還覆蓋著一層納米級(jí)顆粒，這樣的微納結(jié)構(gòu)使得高電阻硅的吸波性能進(jìn)一步提升，與平滑高電阻率硅相比，激光加工后的高電阻率硅在0.32～1.30 THz遠(yuǎn)紅外波段的減反射率最大增加了14%。

5 結(jié)束語

激光加工技術(shù)具有非接觸加工、材料適用范圍廣、自動(dòng)化程度高等優(yōu)點(diǎn)，在微納加工領(lǐng)域具有獨(dú)特優(yōu)勢。尤其是隨著超快激光技術(shù)的發(fā)展，峰值功率大、熱影響區(qū)域小、空間分辨率高的特點(diǎn)使其在特殊材料加工、復(fù)雜形貌構(gòu)建、微納尺度制造等領(lǐng)域有著巨大的應(yīng)用潛力。

本文系統(tǒng)地總結(jié)了近些年來采用激光制造技術(shù)在不同材料上制備功能性仿生表面的研究進(jìn)展，包括疏水表面、防冰表面、綜合防腐表面、抗菌表面、減阻表面以及吸波表面。在每一類功能性表面中，首先展示了自然界中擁有該類特性的生物表面結(jié)構(gòu)，然后介紹了其實(shí)現(xiàn)具體功能的內(nèi)在原理，最后列舉了使用激光加工技術(shù)進(jìn)行仿生表面制造的相關(guān)研究。盡管激光加工技術(shù)在功能性仿生表面的制備中已取得了許多進(jìn)展，但其在該研究領(lǐng)域的進(jìn)一步發(fā)展仍然存在諸多問題：

1） 當(dāng)前研究大多只是針對單一功能進(jìn)行的設(shè)計(jì)和加工，對單一功能的加強(qiáng)往往意味著對其他功能的舍棄。對新一代高性能飛行器來說，在任何環(huán)境中、任何狀態(tài)下都應(yīng)當(dāng)保持綜合性能，因此，飛行器表面的多功能協(xié)同設(shè)計(jì)尤為重要。

2） 在功能性仿生表面制備領(lǐng)域，加工方法簡單易行、經(jīng)濟(jì)效益高也是一個(gè)重要的考量標(biāo)準(zhǔn)，而激光微納結(jié)構(gòu)制造往往存在加工效率低的問題。面對飛行器外殼等大面積表面加工場景，突破激光加工效率的局限，實(shí)現(xiàn)大范圍快速加工將會(huì)是一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)。

3） 為了獲得較好的疏水、防冰、防腐、防霉性能，在加工出表面微納結(jié)構(gòu)之后，通常需要進(jìn)行后續(xù)化學(xué)處理。但是，這種方式顯然增加了加工制造的復(fù)雜程度，同時(shí)材料表面的性能也難以保持，容易隨著時(shí)間的流逝而失效。因此，改進(jìn)激光加工工藝，解決激光自上而下加工的形貌局限問題，使其能夠進(jìn)行復(fù)雜微觀形貌構(gòu)建，實(shí)現(xiàn)超快激光一步加工成型，簡化工藝流程，也是值得深入研究的重要方向。

雖然激光加工技術(shù)在功能性仿生表面制備的研究中仍然存在很多問題，但其在微納結(jié)構(gòu)加工領(lǐng)域所具有的優(yōu)勢仍然是其他加工方法不可替代的。隨著新型激光器不斷出現(xiàn)以及激光加工技術(shù)的不斷進(jìn)步，激光微納加工的成本與效率等劣勢將會(huì)被逐漸縮小，激光制備功能性仿生表面在各領(lǐng)域?qū)?huì)得到廣泛應(yīng)用。