一、仿生鲨鱼皮

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引言

目前的各种湍流减阻方法中，沟槽表面减阻技术以其减阻效果显著和易于推广使用的特点，被公认最具使用潜力。该技术起源于仿生学对鲨鱼等鱼类表皮的研究，通过在航行体外表面加工具有一定形状尺寸的沟槽结构(沟槽方向与流向一致，有V形、U形等多种形状)，就能达到很好的减阻效果。

图1Fastskin游泳衣水下局部照片

02

鲨鱼皮仿生减阻机理

鲨鱼皮表面盾甲鳞结构具有生物减阻功能，其结构如图所示。

图2鲨鱼表皮局部放大照片

沟槽的减阻机理可以概括为：

顺流向的沟槽与顺流向的“反向旋转涡对”相互作用，诱发产生与“反向旋转涡对”方向相反的“二次涡”

（如图所示，沟槽表面的脊状尖峰促进了“二次涡”的发展）

（如图所示，在湍流u∞中，“反向旋转涡对”沿着虚线方向展向，并最终托升低速流体）

二次涡有效地限制了“反向旋转涡对”沿着沟槽打转裹挟低速流体，和向上抬升低速流体的能力——使得低速流带的数目减少——从而有效地阻碍了湍流猝发过程的进行，提高了边界层流体运动的稳定性，最终导致湍流阻力减小。

二、仿鲨鱼皮丙烯酸树脂涂料

01

研究背景

随着全球对海洋环境保护的呼声日益高涨，有毒或对海洋生物链造成影响的涂料终将被淘汰，由于海洋污损生物对海洋产业在世界范围内造成直接或间接经济损失高达其生产总值的7%。

故而研究新型无毒涂料成为涂料从业者的首选，其中又以低表面能涂料和仿生涂料为重中之重。

02

原料及制备的简明过程

①该材料以有机氟改性丙烯酸疏水树脂作为基料，用水溶液法制备高吸水树脂

②将二者复合，利用吸水树脂吸水后膨胀原理，将吸水树脂与疏水树脂复合制备涂料

③当涂料吸水后，涂膜表面由于吸水树脂吸水后膨胀发生微变化形成类似鲨鱼皮表面的“沟-槽”结构，从而制备出使其具低表面能兼仿生的新型无毒海洋防污涂料

03

制备涂料的表面形貌

疏水树脂制备的涂料(对比涂料)及用吸水树脂与疏水树脂按1∶1比例制备的涂料在吸水前、后涂膜表面的扫描电镜照片见图3，复合树脂制备涂料吸水前、后涂膜表面在倍下的扫描电镜照片见图4。

由下图可知，用1∶1复合树脂制备的涂料在吸水前后涂膜表面与疏水树脂制备的对比涂料表面形貌明显不同。

图3

?对比涂料涂膜表面结构致密，涂膜表面较为光滑[图3(a)]；

?而复合涂料吸水前则出现了较为明显的空隙，涂膜表面较为粗糙[图3(b)]；

图4

在倍下的扫描电镜照片下，可以更清晰地看见——

?吸水后，涂膜表面呈现出明暗相间条纹，出现了类似于鲨鱼皮表面的微“沟-槽”结构[图3(c)、图4(b)]，涂料中的颜填料被树脂包覆，涂膜表面较吸水前光滑。

04

材料最终性能表征

（一）疏水减阻

图5是不同涂膜表面接触角检测截图。

用纯疏水树脂制备涂料涂膜表面接触角为°[见图5(a)]

图5(a)

用复合树脂制备的涂料涂膜吸水前表面接触角为明显降低，为64.5°[见图5(b)]。

图5(b)

但当涂料中吸水树脂吸水膨胀后致使涂膜表面产生了微结构的变化，形成了一定的仿生“微-纳”米结构，使涂膜接触角没有下降反而有所提高，与水的接触角为°[见图5(c)]，表明复合树脂制备的涂料兼具低表面能及仿生特性。

图5(c)

（二）吸水-低表面能

当温度为50℃时，吸水树脂内部形成了有效的网络结构，交联点密度适中，树脂吸去离子水率达%，吸0.9%NaCl溶液（模拟海水）率达%。

当温度超过50℃后，树脂的自交联程度增加,致使主链上亲水基团逐渐减少，树脂内部交联点密度增大，表现为树脂吸液率下降。

引用文献

①陈美玲，张羽生，廖道鹏，杨莉，高宏丙烯酸系仿生/低表面能海洋防污涂料的研究[J].中国涂料,,28(12):14-16+25.

②胡海豹，宋保维，潘光，毛昭勇，杜晓旭鲨鱼沟槽表皮减阻机理的仿真研究[J].系统仿真学报,(21):-+.

编辑与校对

童启衡