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仿生减阻材料表界面设计研究获进展

高分子科学前沿 · 公众号 · 化学 · 2017-03-29 16:22

正文

海洋生物如鲨鱼、海豚等可以在极低阻力下快速游动，且身体不被其他海洋生物、微生物所附着，其身体机能与自身结构将减阻与防污性能发挥得淋漓尽致。海洋生物的游行阻力低主要由于以下几方面因素：身体具有流线型且表皮具有织构化结构；其自身分泌粘液驱赶附着生物，同时降低运动过程中水的剪切力。

在中国工程院院士薛群基承担的国家自然科学基金重点项目“海洋航体表面设计与仿生减阻机理（51335010）”支持下，中国科学院宁波材料技术与工程研究所海洋新材料与应用技术重点实验室和中国科学院兰州化学物理研究所固体润滑国家重点实验室合作，在表面微结构、表面能对水阻的影响机制方面进行了系统的研究。利用3D打印技术获得了具有仿鲨鱼皮结构的平板试样，通过计算模拟、流场分析和微型水洞实验测试，发现水流在鲨鱼皮微结构中会形成微涡流；当微结构的宽度和深宽比达到一定值时，产生的微涡流能有效降低水流的摩擦阻力。根据理论和实验数据，提出了微涡流减阻机理；基于微涡流减阻机理，设计了具有微孔结构的亲水涂层，实现了10%左右的减阻效果。

▲ 高速摄像观察的微涡流现象

另外，受海洋生物表皮粘液减阻的启发，实验室利用电沉积（ACS Appl. Mater. Interfaces, 2014, 6 (2) pp 1053–1060）和水热法，在网状金属表面制备亲油疏水微纳织构，并通过织构对半固态石蜡进行储存，获得的类粘液覆盖表层，其减阻效果可达到30%以上（Scientific Reports 7, Article number: 40038 (2017) doi:10.1038/srep40038）。

基于以上研究结果，项目组设计了低阻力水上溢油回收装置，实现在水上高效的溢油回收（ACS Appl. Mater. Interfaces, 2015, 7 (47), pp 26184–26194）；通过编织等技术设计的低表面能微织构蒙皮，正在快艇等装备上进行长时间现场测试。

▲ 低阻力溢油回收装置

文献链接：

http://www.nature.com/articles/srep40038

来源：中国科学院宁波材料技术与工程研究所

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