具有非光滑表面的仿生减阻材料的研究简介_李光吉

李光吉1 , 蒲 侠1 , 雷朝媛2 , 苏炳煌2 , 鲁 毅2
(1 .华南理工大学材料科学与工程学院 , 广东 广 州 510640;2.深圳市百安百科技有限公司 , 广东 深圳 518067)
摘 要 :介绍了几种典型的水生和陆生动物体表非光滑表面的 减阻特性 、减阻机理及对其进 行仿生研 究 与应用的成果 .这种基于非光滑表面的仿生减阻抗粘 技术已成为仿生学研究和应用的一个新领域 . 关键词 :非光滑表面 ;减阻 ;仿生材料 ;减阻机理 ;抗粘 中图分类号 :T B17 文献标识码 :A
的方法 , 在犁壁表面上随机设置凸包 , 并进行田间试 验 , 与一般二铧犁体相比 , 在相同的条件下 , 仿生非 光滑犁壁的减阻达 6 .6 %～ 12 .7 %.在此基础上 , 任 露泉教授等人又将非光滑表面的防粘减阻技术与电 渗技术相结合 , 形成非光滑表面电渗系统 , 原理性实 验表明 , 它不仅具有非光滑表面的防粘减阻的优点 , 还克服了电极无法在同一部件上布置 , 电极间距大 、 电压高 、能耗大等缺点 .以凸包和斜纹两种非光滑表 面形式作推土板动态非光滑电渗试验 , 与光滑推土 板作对比 .在相同的条件下 , 不采用电渗 , 凸包板减 阻 6 %～ 10 %, 斜纹板减阻 5 %～ 8 %;采用电渗 , 相 对于光滑板电渗 , 凸包板减阻 15 %～ 30 %, 斜纹板 减阻 20 %～ 40 %, 减阻效果十分显著 .
第 2 卷 第 4 期
李光吉 , 等 :具有非光滑表面的仿生减阻材料的研究简介
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2 仿生非光滑表面减阻材料的 研究现状
2 .1 人造海豚皮的研究
1960 年 , Kramer 提出了这样的假设 :由于海豚 皮肤的自适应性 , 水流可稳定流过海豚表面 , 使发生 紊流的转折点推后 , 从而减少了海水在海豚表面的 粘附阻力 .根据 这一减阻原理 , 人们仿 造出了一种 “人造海豚皮” , 即用密封的橡胶包裹着细长形物体 做成弹性覆盖层(外套), 再用销钉将外套固定在物 体表面 ;在外套与物体之间填充具有一定粘度的液 体 .将这样的物体在水中作拖拽运动时 , 与相同形状 和尺寸的光洁硬壳模型相比 , 阻力减小 , 相同功率下 的运动速度提高了近一倍 .
第 2 卷 第 4 期 2 008年12 月
材 料 研 究 与 应 用 M A T ERIA L S RESEA RCH A ND AP P LICA T ION
V o1 .2 , N o .4 Dec .2 0 0 8
文章编号 :1673百度文库9981(2008)04-0455-05
具有非光滑表面的仿生减阻材料的研究简介 ＊
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图 2 鲨鱼皮表面的肋条结构
图 1 海豚和仿海豚皮肤的结构 (a)海豚皮肤的三层结 构 ;(b)各构型 结构 ;(c)科 学家 研 发的仿海豚皮柔性表面
1 .3 土壤动物皮肤的防粘减阻特性与机理
我国学者对生活在土壤中的蜣螂的皮肤结构 、 防粘减阻特性和机理进行了研究 .任露泉教授等人 发现 , 蜣螂体表不同部位具有不同的几何非光滑形 态 .蜣螂的头和爪上分布着许多凸包 , 如图 3 所示 . 而在蜣螂的胸节背板表面则分布着近似椭圆形的小 凹坑 .进一步研究表明[ 7] , 几何非光滑体表是土壤动 物具有防粘减阻特性的重要原因之一 .
1 .2 沟槽型表面微结构减阻特性及减阻机理
沟槽型非光滑表面又称肋条样表面 , 其几何单 元由薄条和其间的沟槽构成 .德国科学家[ 3] 通过对 鲨鱼皮肤的细致观察和研究发现 , 鲨鱼皮肤的表面 布满了 V 形肋条 , 具有典型的冠状结构 , 每一块冠 状组织上有几条径向沟槽 , 在指向尾部的尖头处中 止 , 如图 2 所示[ 4] .Becher t 等人[ 5] 研究发现 , 鲨鱼皮 的这种 V 形肋条结构其实是一种三维互锁式结构 , 即在 2 个肋条之间又插入一个小的肋条 , 这样有可
3 结束语
大量的研究已经证实 , 无论是水生动物还是陆 上动物的体表 , 普遍具有非光滑表面 , 并表现出优异 的抗粘减阻效应 .对生物体表的微结构 、抗粘减阻特 性及其原理的研究推动了非光滑表面的制备与控制 技术的发展 , 展示了仿生非光滑表面的防粘减阻功 能在工程领域中的应用前景 .目前 , 对生物体表面的 非光滑现象的认识还不够系统深入 , 对生物非光滑 表面的构造规律及其防粘减阻机理还不能给出比较 令人信服的理论分析 .就目前可望应用于空中和水 中航行器的仿生非光滑表面而言 , 表面呈精致的微 米-纳米复合结构 , 现有的加工手段还不易达到所要 求的精度 .因此 , 需寻求适合的表面基材 , 并探索适 宜的制备技术来构建仿生非光滑表面 .这将使人们 在仿生材料的研究与应用方面大有所为 .
2 .3 仿土壤动物的柔性非光滑表面的研究
吉林大学地面机械仿生技术教育部重点实验室 通过对土壤动物的研究 , 研制出各种仿生非光滑表 面产品 , 如仿生犁 , 仿生非光滑推土板等 , 有效地解 决了农业及工程机械在工作过程中的粘附问题 .任 露泉教授等人在研究与蜣螂推粪球行为最相关的头 部的非光滑表面形貌的基础上 , 设计了非光滑推土 板 , 并进行了防粘减阻试验[ 18-19] .结果表明 , 仿蜣螂 头部的非光滑表面设计的推土板和犁具有良好的脱 附作用 .在相同土壤的耕地实验中 , 与用 20 号钢和 35 号钢制作的光滑犁相比 , 相同材质的仿生犁的减 阻达分别达 12 .7 %和 18 %, 省油 12 .6 %, 精选仿生 推土板的平均最大减阻率可达 30 %.采用表面堆焊
图 4 美国宇航局研制的仿鲨鱼皮
图 5 SP EEDO 公司的仿鲨鱼皮泳衣面料
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材 料 研 究 与 应 用
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图 6 以两种高分子材料为基材的仿鲨鱼 皮的表面结构
近来的研究发现 , 在鲨鱼皮表面起伏不平的沟 槽结构上还覆有刺状突起或刚毛 , 表现出疏水特性 , 使植物孢子很难附着在上面 , 海藻或其他植物无法 在其表面上生长[ 14] .德国学者 K esel 和 Liedert 教 授的实验研究表明 , 轮船上附着的藤壶等海洋生物 可使航行的阻力增加 15 %.用高分子基的仿鲨鱼皮 表面非光滑结构的材料在德国北海做试验 , 结果表 明藤壶的附着量减少了 67 %[ 15] .美国佛罗里达大学 和英国伯明翰大学的科学家们还制得了一种仿鲨鱼 皮的高分子涂层材料 , 其表面由数十亿个细小菱形 突起(约 15 μm)组成 , 这些突起会随电流强度的变 化而膨胀或收缩 , 能有效地防止淤泥和其他生物的 粘附 , 使海洋生物沉积量下降约 85 %, 防粘效果十 分明显[ 16-17] .将这种仿生材料用于船体表面 , 可取代 船舶业目前使用的有毒防污涂料 , 极大地减少船舶 由于海洋生物附着所造成的污损 、腐蚀及阻力增加 , 解决由此而增加的人力和油耗这一令船舶业头疼不 已的问题 .
F AST SKINFS II 泳衣(图 5), 该泳衣充分运用了仿 生学原理和新技术 , 性能更加接近鲨鱼皮的特性 .以 疏水的含氟弹性体为主要材料 , 通过压迫身体来降 低阻力[ 10-11] .张德远教授等人[ 12-13] 也注意到了鲨鱼 皮的减阻效应 , 利用生物约束成形法复制了鲨鱼皮 的微观形貌 , 得到以高分子为基体的仿生鲨鱼皮 .将 这一仿生材料用于管道减阻试验 , 结果显示 , 阻力比 普通管道减少了 8 %.深圳百安 百科技公司的研发 人员已就鲨鱼皮盾甲鳞结构在高分子基材上的微复 制方法进行了初步探索 , 尝试了电铸法 、弹性印章等 微复制方法 , 得到了表面具有鲨鱼皮微结构的高分 子膜材 .图 6 为用不同的高分子为基材制备的仿鲨 鱼皮膜材的表面结构 .
根据海豚皮肤的自适应性 , 科学家研发了一种 “自适应表层减阻技术” , 即将仿照海豚皮肤所制成 的柔性表层覆盖在与空气-水介质相接触的物体表 面 , 这种仿真皮肤表面光滑 , 内部有内置式棱纹状凸 起 .当流经这种柔性表层的流体的动能达到一定程 度时 , 内置式棱纹突出 , 形成非光滑表面 , 从而使流 体能够稳定地流过这种表面 , 实现减阻 .
科学家们发现 , 海洋中的速度之王“鲨鱼” 、“海 豚” , 在潮湿土壤中能够运动自如而不粘土的蚯蚓 、 蜣螂等生物体都具有非光滑的表面结构 .这种非光 滑表面具有神奇的微纳结构特性 , 使之表现出优异 的减阻 、抗粘附和抗磨损的能力 .因此 , 非光滑表面 仿生学成为一个新的研究领域 .本文着重介绍三种 典型非光滑表面的减阻和抗粘特性 、减阻机理及其 在仿生材料领域的应用 .
船舶在运动时 , 由表面摩擦所引起的阻力约占 总阻力的 70 %～ 80 %, 在高速运动时 , 摩擦阻力约 占总阻力的 40 %左右 .现代民用飞机在飞行时表面 摩擦阻力几乎占总阻力的 50 %, 管道运输中 80 %以 上的能量消耗在表面摩擦阻力上[ 1] .因此 , 减小运动 物体表面与流体之间的摩擦阻力对于设计和制造流 体输送设备 、交通工具等都是非常必要的 .设计和制 备具有减阻功能的新材料无疑是实现节能降耗的重 要途径之一 .
受海豚皮肤的自适应表层减阻原理的启发 , 美 国海军研究部门根据海豚皮肤的结构特点 , 找到一 种接近海豚皮肤的人造材料 , 模仿海豚真皮层功能 . 仿制的“人工海豚皮”用于潜艇表面 , 还模仿鲇鱼表 面分泌的粘液 , 制成高分子化 合物涂在舰艇 、船壳 上 , 可减少阻力 50 %, 使潜艇的航速成倍提高 .
收稿日期 :2008-09-10 ＊基金项目 :国家自然科学基金资助项目(50873039) 作者简介 :李光吉(1959 —), 云南人 , 教授 , 博士 .
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材 料 研 究 与 应 用
能减少流体的晃动 , 从而实现减阻 .经过测试 , 其减 阻效果达 9 %以上 .对鲨鱼皮的结构及其减阻原理 已有大量的研究和探索 .目前比较得到认同的观点 是 :鲨鱼皮表面的肋条结构能够改变表皮附近层的 流体运动状况 , 抑制和延迟湍流的发生 , 从而实现减 阻 ;三维互锁结构可以起到稳定层流的作用 , 以达到 更好的减阻目的 .鲨鱼皮肤的“鲨鱼皮效应”为人类 提供了非常完美的减阻模板[ 6] .
1 仿生非光滑表面减阻机理的分析
1 .1 自适应性非光滑表面的减阻特性及减阻机理 海豚的皮肤如图 1 所示 , 最外面的表皮上有薄
而光滑的角质膜 , 中间的真皮层上 长有许多乳突 , 像海绵一样 的中空 乳突间 充满 着血 液或体 液 , 这
些乳突在海豚运动时能承受很大的压力 , 皮肤的 最里面是由交错的胶质和弹性纤维组成的 , 中间 充满了脂 肪细 胞 .1936 年 , Gray 等人 发现 海豚 的 实际游泳速度要比其生理上所 能达到的游泳 速度 要高 , 这一发现引起了众多科学家的 兴趣 .进 一步 的研究表明, 海豚能高速游泳 , 不仅得益于它的纺 梭状的流线型体形 , 更重要的是它的弹性皮肤能 产生“ 自适应表面” .当海豚快速游动 时 , 随着 水的 阻力的增加 , 海豚的皮肤可由光滑逐渐变为具有 一定几何形状的非光滑形态, 以降低游动时的阻 力 .这种现象被称为“自适 应性” 或“ 顺应性” .这种 皮肤就像一个减振器 , 在与外界流体发生相对运 动的情况下, 会改变层流附面层的边界条件 , 使边 界柔顺化 , 减小边界面的流速梯度和边界面的剪 切力 , 防止湍流或紊流产生[ 2] .
2 .2 仿鲨鱼皮的研究
以减阻为目标 , 国内外研究机构对鲨鱼皮表面 结构仿生与应用进行了探索 .美国宇航局将仿鲨鱼 皮的肋条结构(如图 4 所示)应用于飞行器和船舶表 面以减少阻力 .他们在 NACA 0012 飞机的表面贴 上 V 型沟槽膜后 , 阻力减少了 6 .6 %[ 9] .这一肋条减 阻原理也成 功地应 用于美 国“星 条旗” 帆船比 赛 . S PEEDO 公司 还研发 出了仿 鲨鱼皮 的泳 衣 , 并在 2000 年悉尼奥运会上创造了奇迹 .2004 年 , 该公司 在雅典奥运会上又推出了“鲨鱼皮”第二代产品 ———
小凸包的纵向剖面为波形 , 当动物在土壤中运 动时 , 这些小凸包可减少土壤与动物体表的接触面 积 , 从而降低摩擦阻力 , 达到脱土降阻的效果 .任露 泉教授等人根据对蜣螂体表的防粘减阻特性和机理 的研究成果 , 研制出了可有效地防止土壤粘附 , 提高 工作效率的犁头和工程铲等工具[ 8] .
图 3 蜣螂头部推土板的非光滑 结构 (a)凸包 ;(b)单个凸包的局部放大