海洋生物如鯊魚、海豚等可以在極低阻力下快速游動,且身體不被其他海洋生物、微生物所附著,其身體機(jī)能與自身結(jié)構(gòu)將減阻與防污性能發(fā)揮得淋漓盡致。海洋生物的游行阻力低主要由于以下幾方面因素:身體具有流線型且表皮具有織構(gòu)化結(jié)構(gòu);其自身分泌粘液驅(qū)趕附著生物,同時降低運(yùn)動過程中水的剪切力。
在薛群基院士承擔(dān)的國家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項目“海洋航體表面設(shè)計與仿生減阻機(jī)理(51335010)”支持下,中國科學(xué)院海洋新材料與應(yīng)用技術(shù)重點(diǎn)實驗室與固體潤滑國家重點(diǎn)實驗室合作,在表面微結(jié)構(gòu)、表面能對水阻的影響機(jī)制方面進(jìn)行了系統(tǒng)的研究。利用3D打印技術(shù)獲得了具有仿鯊魚皮結(jié)構(gòu)的平板試樣,通過計算模擬、流場分析和微型水洞實驗測試,發(fā)現(xiàn)水流在鯊魚皮微結(jié)構(gòu)中會形成微渦流;當(dāng)微結(jié)構(gòu)的寬度和深寬比達(dá)到一定值時,產(chǎn)生的微渦流能有效降低水流的摩擦阻力。根據(jù)理論和實驗數(shù)據(jù),提出了微渦流減阻機(jī)理;基于微渦流減阻機(jī)理,設(shè)計了具有微孔結(jié)構(gòu)的親水涂層,實現(xiàn)了10%左右的減阻效果(http://dx.doi.org/10.1016/j.surfcoat.2017.03.048)。另外,受海洋生物表皮粘液減阻的啟發(fā),實驗室利用電沉積(ACS Appl. Mater. Interfaces, 2014, 6 (2): 1053–1060)和水熱法,在網(wǎng)狀金屬表面制備親油疏水微納織構(gòu),并通過織構(gòu)對半固態(tài)石蠟進(jìn)行儲存,獲得的類粘液覆蓋表層,其減阻效果可達(dá)到30%以上(Scientific Reports, doi:10.1038/srep40038)。
圖1 類粘液覆蓋鯊魚皮結(jié)構(gòu)
基于以上研究結(jié)果,海洋環(huán)境材料團(tuán)隊設(shè)計了低阻力水上溢油回收裝置,實現(xiàn)在水上高效的溢油回收(ACS Applied Materials & Interfaces, 2015, 7 (47): 26184–26194;《中國科學(xué)報》2016-05-23,第6版);通過編織等技術(shù)設(shè)計的低表面能微織構(gòu)蒙皮,正在快艇等裝備上進(jìn)行長時間現(xiàn)場測試。
圖2 低阻力溢油回收裝置
論文鏈接:
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