机械制造工艺与设备

仿生表面减阻的研究现状与进展

马付良，曾志翔，高义民，等

摘要：目的：船舶、舰艇、鱼雷等海中航行体在海洋经济建设和海洋国防中发挥着重要作用。航行体的运行速度和能量消耗率是评价其性能的重要指标，运行速度决定着航行体的性能，能量消耗率决定着航行体的续航能力和运行成本。而航行体的运行速度和能量消耗率除了与发动机效率相关外，其最主要的影响因素就是航行体在海水中行驶的阻力。在多种减阻技术中，仿生技术具有减阻效果好、可设计性强等优点而得到了广泛的关注。本文对表面仿生减阻的发展现状进行了综述，重点关注仿鲨鱼皮结构减阻和仿生超疏水表面减阻，期望对仿生表面减阻未来的发展提供借鉴。方法：海中航行体运行过程当中需要克服的阻力包括：（1）兴波阻力；（2）涡流阻力；（3）摩擦阻力。其中，兴波阻力由船速和海上风浪决定，不可控制；涡流阻力主要与航行体的流线型设计相关，且占比例较小；摩擦阻力对航行体的速度和能耗有着重要影响且可通过表面设计进行控制。减少航行体海水行进阻力是提高航行速度和降低能耗率的关键。结果：现有的减阻方法包括：（1）减小S，即降低固-水实际接触面积的微气泡减阻法。（2）减小 τ，即降低摩擦剪切应力。可从两方面着手：（1）减少湍流的产生来控制边界层的柔性壁法和升温法；（2）降低边界层最底层水流的速度，即降低航行体表面与水的结合力的低表面能涂层法。（3）仿生减阻：以在海水中游行速度较快的鲨鱼为启发，根据其表面结构设计减阻表面。鲨鱼皮有以下几个特征：表皮具有一定形状沟槽织构，表皮分布着一定的油脂。根据鲨鱼表皮特征发展而得到的技术为沟槽减阻技术。仿鲨鱼皮减阻主要分为两种形式。一种是直接复刻鲨鱼皮的表面盾鳞结构，方法主要包括热压印法，微电铸法及软刻技术。另外一种就是仿鲨鱼皮的盾鳞结构来设计制备沟槽，方法主要有微沟槽滚压制备技术，磨削加工技术及准LIGA（Lithographie，Galvanoformung，Abformung）技术。受荷叶出淤泥而不染，水黾可以在水面上自由快速跳动而不沾湿身体的超疏水现象的启发，发展了仿生超疏水减阻技术。超疏水表面的构筑一般分为两步，首先是在不同的基体上创建微纳粗糙结构，然后对粗糙结构进行低表面能改性。结论：基于目前国内外科学技术的发展，以及对现有减阻技术的总结和分析，仿生表面减阻未来的发展趋势有以下3点：首先，随着3D打印技术（也称增材制造）的发展成熟，未来可用3D打印技术制备仿生沟槽表面，利用3D打印技术实现表/界面微观结构的调控。其次，目前的仿生减阻方面的工作大多是用一种单一的减阻方法，未来的研究会从单一的减阻方式向多种减阻方式协同作用进行。将多种减阻方法有机的结合在一起，通过减阻方法的匹配、参数控制等达到减阻效果的增强，将是未来研究的一个重要趋势。此外，目前对于减阻的研究还主要集中在减阻效果的研究上，对于减阻机理揭示方面的研究还很欠缺，随着粒子成相测速（PIV）系统的愈发成熟，航行体运行时的流场情况可以很清晰的观察，对于揭示减阻机理非常有利，未来的研究会越来越重视对于减阻机理方面的探索。

来源出版物：中国表面工程, 2016, 29(1): 7-15

入选年份：2016

纯镁超声微弧氧化-HF-Na2SiO3复合处理对生物涂层的影响

李慕勤，刘江，蔡丁森，等

摘要：目的：为调控纯镁微弧氧化生物涂层的降解速度和生物活性，考虑生物材料植入人体后，其生物学性能主要由人体组织和体液等与材料表面的相互作用相关因素。本文针对纯镁微弧氧化涂层贯穿孔隙和活性不足问题，采用超声微弧氧化-浸渍处理方法，期望通过对纯镁超声微弧氧化涂层进行后处理，提高其耐蚀性和生物活性，解决涂层贯穿孔隙及纯镁微弧氧化膜主相 MgO生物活性弱这一问题。方法：选用纯镁材料（镁含量为99.9Wt%），微弧氧化电解液在60 KHZ的超声波频率和超声功率50 W环境中，微弧氧化电压为300 V，脉冲频率为500 HZ，占空比为2.5%，氧化时间10 min，阴阳极间距离40 mm，利用超声波的机械效应、热效应及空化效应的共同作用，促进微弧氧化过程中的各种反应，形成的涂层（简称为UMAO）。分别对UMAO涂层分别进行 Na2SiO3（简称为 UMAO-Na2SiO3）和 HF-Na2SiO3（简称为UMAO-HF-Na2SiO3）浸渍处理，通过扫描电子显微镜（SEM）、X射线衍射仪（XRD）、涂层附着力自动划痕仪、销盘式摩擦磨损试验机及电化学腐蚀工作站等对不同涂层进行检测分析，研究两种后处理工艺对超声微弧氧化膜组织结构和性能的影响。结果：从不同涂层的表面与断面观察，UMAO涂层表面均匀分布着微孔，断面存在贯穿孔隙，成为体液浸蚀基体的通道；UMAO-Na2SiO3涂层微孔变小，但封闭效果不明显；而UMAO-HF-Na2SiO3涂层表面微小孔几乎全部被填充，涂层断面致密层增厚，无贯穿孔隙存在，阻断体液浸蚀。纯镁UMAO涂层的主要相结构为Mg、MgO和MgSiO3，而 UMAO-Na2SiO3和 UMAO-HF-Na2SiO3涂层有新相SiO2生成，并使生物相容性好的MgSiO3相得到提高；UMAO-HF-Na2SiO3涂层还生成了生物相容性好的新相MgF2。UMAO涂层结合力为4.6 N，摩擦系数1.1；UMAO-Na2SiO3和UMAO-HF-Na2SiO3涂层结合力分别为7.0 N和7.6 N，摩擦系数分别为0.8和0.7。与UMAO涂层相比，UMAO-Na2SiO3和 UMAO-HF-Na2SiO3涂层的自腐蚀电位分别提高了17 mV和51 mV，而自腐蚀电流密度均降低一个数量级。结论：UMAO涂层经Na2SiO3和 HF-Na2SiO3浸渍处理制得的涂层孔隙填充更好，并有生物活性优异的新相产生，两种处理制得的涂层均与基体结合良好，耐蚀性能均得到提高，其中，UMAO-HF-Na2SiO3涂层无贯穿孔隙存在，并有生物相容性好的新相MgF2生成，耐蚀性能优异，综合性能更佳。

来源出版物：中国表面工程, 2014, 27(3): 50-56

入选年份：2016