激光仿生微织构在水下航行器领域减阻研究

摘 要：文章围绕水下航行器的减阻研究展开讨论，对水下航行器减阻基本措施进行分析。结合仿生微织构的研究热点，提出运用激光直写制备仿生微织构的设计思想，从技术实现方法的角度分析了可行性，技术利用多光束激光干涉产生的图案（空间上多周期的能量分布）直接加工或修改材料表面（曲面或平面）形成与图案相对应的高精度纳米级、微米级及微纳混合的周期性结构，得到具有特殊物理和化学特性的材料表面，可为水下航行器提供一种表面仿生微织构制备方法，属于对现有水下航行器摩擦学性能的改进，提高水下航行器的减阻性能。

关键词：水下航行器 减阻 激光干涉 仿生微织构

中图分类号：U67 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2016）11（c）-0045-03

中国是路海兼备的发展中海洋大国，海洋为中国经济的可持续发展提供了广阔的发展空间，在这样的宏观背景下，探索认知海洋是开发利用和保护海洋的先决条件。水下航行器是一种航行于水下的航行体，它能够完成水下勘探、侦测甚至军事上的进攻防守等任务，在海洋经济建设和海洋国防中发挥着重要作用。海洋环境特殊，条件苛刻，水下航行器的运行速度和能量消耗是评价航行器的续航能力、运行成本和航行体性能的重要指标。航行器在海水中的运行阻力是制约航行器在水下运行速度和能量消耗的关键因素。据统计，摩擦消耗了世界能源的1/3以上，磨损导致了约60%的机械材料损耗，其中船舶机械中70%左右的失效与摩擦磨损有关[1]。减小水下航行器的运行阻力可在提高航速和续航能力的同时节省能源，提高水下航行器的负载能力。因此，降低水下航行器阻力是提高水下航行器航速的有效方法之一。

1 水下航行器减阻基本措施

水下航行器的分类有多种类型，按用途分有作业用和测量用两类，根据脐带电缆的有无可分成有缆、无缆、有缆无缆通用型三类，按尺寸可分为超小型、小型、中型、大型等，按有无人控制可分为载人水下航行器和无人水下航行器。当水下航行器在水中工作时，由于海水具有粘性的缘故，水下航行器周围有一薄层水被带动随同运动，称为边界层。稳定的层流层将有助于减小摩擦。边界层水分子运动速度不同，水和航行器表面及水内部相互作用，对航行器表面产生切向应力。这个切向应力与航行方向之间的合力即为水下航行器的摩擦阻力。用下式表示：

其中，ρ为海水密度，V为水下航行器的航行速度，S为水下航行器表面积，为水下航行器的摩擦阻力系数。由上式可知，航行器的摩擦阻力与航行速度和摩擦阻力系数相关。目前，主要的水下航行器减阻方法主要从降低航行器的摩擦阻力系数入手，降低水下航行器的摩擦阻力。

水下航行器減阻的主要方法包括随行波减阻法、涂层减阻、微气泡减阻法、柔性表面减阻法、外形优化设计减阻法、仿生微织构减阻法等。各种减阻方法的主要思路就是改变流场的状态，延长层流，抑制湍流，推迟从层流到湍流的发展，达到降阻的目的。其中，仿生减阻运用类比、模拟及模型方法复刻动植物特有外表结构，其目的不在于直接复制各个细节，而是要明确生物系统的工作原理，以实现特定功能。微织构减阻只需要在航行器表面加工出微织构结构或者粘附微织构薄膜等就可实现减阻，不需要外加设备，应用前景广阔。仿生微织构减阻将仿生学和微织构减阻结合，属于仿生研究模型的延伸，在明确生物系统工作原理的基础上，与工程应用结合，可显著提高表而摩擦学性能，降低摩擦阻力，已得到国内外科学技术工作者的广泛关注，具有广泛的应用前景。

2 仿生微织构减阻研究进展

为了适应优胜劣汰的生存法则，动物在进化过程中都有制胜的对策。其中，比较广泛的选择是在体表形成一定规模和尺寸的表面织构，如，海豚皮肤结构，真皮层有许多乳头状的突起可以在运动过程中承受巨大的压力。同时，皮肤附近的水流由涡流层变成层流层，在水中游动时皮肤就类似于一种减振器，按水流的波动起伏，灵活变形，把阻力减到最小，成为海洋中的游泳高手；穿山甲的体表凹凸明显，体表鳞片曲率波纹的存在，让土壤与体表的接触面之间存在一定的空隙，使凹处形成无土区，即使在粘土里穿行，也可以打断连续水膜的形成，减少与土壤之间的真实接触面积，凹区储存的空气可形成空气膜降低摩擦系数，增加润滑效果，有利于其穿梭于土壤砂石之间。目前科学家仿造海豚特殊的皮肤结构，制造了人造海豚皮，虽然只能模仿海豚皮肤的部分功能，但是已成功将阻力减小40%～60%，目前已经应用到鱼雷和潜艇领域。英国的CV90“犰狳”战车，车身拥有良好的斜角设计，垂直装设的装甲侧裙板采用先进的复合材料制成，可吸收雷达波并降低车辆运作时所散发的红外线，具有反雷达追踪能力，即便在遭遇核生化环境下，其外型也有助于进行除污等洗消作业，是目前最著名的穿山甲仿生设计，具有软硬兼施的防护力，堪称现实版的穿山甲。科学研究发现鲨鱼皮表面微沟槽结构的出现，涡旋只与微沟槽尖峰接触，剪切应力较小，流速较快，微生物只有很短的时间沉积在沟槽表面，可起到降低摩擦、自清洁作用，根据鲨鱼的皮肤特点，SPEEDO公司研制了仿鳖鱼皮泳衣，穿着这种能有效减少阻力、消减皮肤振动和肌肉震荡的神奇泳衣的选手打破了不少世界纪录。基于蚯蚓背孔射流的仿生射流表面也引起了仿生学家的关注，蚯蚓瞬间射流时，体腔液喷射到土壤及背孔四周，使得背孔附近区域得到润滑，减小体表与土壤之间的摩擦阻力。射流表面通过改变壁面边界层实现对流场进行有效的控制，以减小壁面的黏性剪切应力和雷诺应力，继而减小壁面所受的摩擦阻力以达到减阻作用。建立合理的仿生射流表面结构模型，可为工程实践提供新型减阻方法。

表面形貌对摩擦副摩擦行为及润滑性能有很大的影响。通过在表面加工具有一定规则的织构可以改善其摩擦特性和润滑效果，其中织构形状的几何参数是关键因素之一，只有在合适的范围内才会得到优异的润滑效果，否则适得其反。

上海理工大学运用P秒激光在铸铁材料试件表面加工出椭圆形、沟槽、圆坑3种不同形状，10%和20%两种不同面积占有率的织构表面，并在MR-H5型高速环块磨损试验机上进行摩擦磨损测试，实验结果证明合理的表面织构能够改善材料表面的摩擦磨损性能，达到节能减排的目的[2]。

杜宏益等利用仿生摩擦学原理在刀具的表面建立刀具切削模型，仿真沟槽微织构形貌，研究了不同的织构形式对切削温度和切削力的影响，证实织构模型有利于降低刀具切削力[3]。

宋保维等采用VOF多向流模型进行数值仿真研究，发现超疏水表面凹槽结构附近产生压差阻力导致凹槽内部形成了低速漩涡，产生推动效应与涡垫效应；超疏水表面减阻率随凹槽槽宽增大而增大，随来流速度的增大而减小，受凹槽深度影响不显著，矩形凹槽和V形凹槽与U形凹槽相比产生更好的减阻效果[4]。

韩志武等根据生物非光滑形态理论在轧辊模型试件表面加工出鳞片形、凸包形、凹坑形及波纹形4种非光滑形态，针对不同形态表面进行了摩擦磨损试验。研究发现：经过激光织构处理的仿生非光滑表面的抗磨性能远远优于未加工的光滑表面（二者的磨损率相差几十倍甚至上百倍），其中具有鳞片形仿生非光滑表面形态的试件的抗磨性能最佳[5]。

魏晓凤等运用激光干涉直写，成功制备酒窝点阵结构，成功改善钴铬钼合金材料的摩擦性能，同时加强了材料硬度[6]。

织构的存在可以有效提高承载力，捕获摩擦过程中产生的磨粒减小磨损，储存滑液，并在润滑不足的情况下充当暂存器提供二次润滑。织构表面在摩擦副对摩速度较大时会甩出大部分的润滑液/油，可以在表面发生磨损匮乏润滑情况下提供暂存的润滑液，达到持续润滑的效果，提高整个摩擦副间的相互润滑程度。同时，织构阵列可以容纳磨粒，显著改善在摩擦过程中产生的粒子所引起的磨损问题。凹坑状、柱状、沟槽状微织构图案是目前常见织构形貌。

3 仿生微织构制备工艺

表面微织构是在材料表面构建具有规整形状的微/纳米级微囊图案结构，表面微囊具有储存润滑液的作用，从而改善摩擦配副表面的润滑状态，实现摩擦学性能的提高。通过仿生微织构达到改善材料摩擦学性能的主要手段有表面涂层法、表面接枝改性、等离子处理、表面图案化等。表面涂层主要是通过增强材料表面性能达到减阻的目的。涂层好坏的关键在于涂层与基体间界面结合强度的大小，这是涂层中至关重要且较难解决的问题。在涂层应用中，由于摩擦引起的温升会导致涂层失效、脱落。同时，涂层与基体的热膨胀系数的差异会导致材料中存在内应力，进而影响抗磨、减阻能力。表面接枝改性是通过在材料表面接枝亲水、疏水、亲水/疏水或具有特定结构的官能团，实现材料表面润湿性的改善，进一步改善摩擦学性能。由于技术条件的限制，目前材料表面接枝润滑膜的厚度有限，仅达到纳米量级。这对水下航行器在海洋水压作用下，润滑膜的润滑效果的持久性有待验证，且接枝改性后润滑膜与基材的结合强度有待提高。等离子处理是将改性材料置于特定的气氛下进行等离子辐照或通过离子注入方式改变材料表面的物理、化学状态，从而实现材料表面物理、化学性能的改变。等离子体对材料的改性主要是以提高材料表面硬度、摩擦学阻力，从而提高材料的减阻、抗磨能力。

结合表面微织构的优势，激光干涉制造在表面图案化改性方面具有其他技术不可替代的潛力及优势。该技术利用多光束激光干涉产生的图案（空间上多周期的能量分布）直接加工或修改材料表面（曲面或平面）形成与图案相对应的高精度纳米级、微米级及微纳混合的周期性结构，得到具有特殊物理和化学特性的材料表面。因此，将激光干涉制造技术与图案化技术结合运用于水下航行器的表面改性方面，克服现有的技术不足，提供一种表面图案化制备低摩擦水下航行器的方法，属于对现有水下航行器性能的改进，提高水下航行器的摩擦学性能。

3.1 激光仿生微织构

激光干涉光刻技术是根据光的干涉原理对满足干涉条件的两束或多束相干光进行干涉，在二维、三维方向发生干涉组合。改变曝光时间、相位角、入射角等参数可得到不同的周期性图形阵列，如，条纹阵列、点阵列、酒窝（孔）阵列。目前较多应用在太阳能电池板、人工自清洁结构、生物植入物等功能材料表面。

3.2 激光干涉光刻制备微织构阵列的理论模型

以三光束为例，设定空间角、、分别为0°、120°、240°，入射角为θ1=θ2=θ3=θ，偏振角、、，振幅均为A，则干涉光强为：

其中，波数，x、y为坐标[6]。

将各参数代入MATLAB，可得到三光束点阵图，图1为光强分布。理想情况下，三光束干涉结果可形成凹坑或突起点阵结构，均匀排列在六边形的网格上，强度最大值可达到Imax=9A2。三光束激光干涉系统可分为三束光从同一个面入射和三束光从不同面入射，虽然最终制备的干涉图形不同，但基本原理一样。当三束光从一个平面以不同的入射角干涉时，干涉图形为条纹阵列；当三束光从不同平面入射时，则得到规则点阵结构，可以用来制造表面织构阵列（如图2所示），用来减小摩擦，提高润滑，应用在军事、轴承、人工关节表面以及水下航行器的表面。

4 结论

（1）微织构阵列的存在可以提高有效承载力，相比于光滑表面，织构表面暂存的润滑液可以在匮乏润滑情况下提供暂存的润滑液，获得持续的润滑效果，改善整个摩擦副间的润滑状态。同时，织构阵列可以容纳磨粒，显著改善由摩擦产生的粒子造成的磨损问题，优化摩擦、磨损性能。

（2）激光干涉制造在表面图案化改性方面具有其他技术不可替代的潜力及优势。该技术利用多光束激光干涉产生的图案（空间上多周期的能量分布）直接加工或修改材料表面（曲面或平面）形成与图案相对应的高精度纳米级、微米级及微纳混合的周期性结构，得到具有特殊化学和物理特性的改性材料。

（3）将激光干涉制造与仿生微织构结合，运用在水下航行器表面，可达到降阻节能的目的。

参考文献

[1] 严新平，袁成清，白秀琴，等.船舶摩擦学的发展展望[J].自然杂志，2015，37（3）：157-164.

[2] 陈傲，王书文，蒋春燕，等.激光表面织构对铸铁摩擦磨损性能的影响[J].表面技术，2016，45（9）：163-169.

[3] 杜宏益，何林，杜红星，等.仿生摩擦学刀具织构设计[J].组合机床与自动化加工技术，2016（4）：138-142.

[4] 宋保维，袁潇，胡海豹.层流状态下超疏水表面流场建模与减阻特性仿真研究[J].西北工业大学学报，2012， 30（5）：712-717.

[5] 韩志武，任露泉，刘祖斌.激光织构仿生非光滑表面抗磨性能研究[J].摩擦学学报，2004，24（4）：289-293.

[6] Wei X，Li W，Liang B，et al.Surface modification of Co–Cr–Mo implant alloy by laser interference lithography[J].Tribology International，2016（97）：212.