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超疏水表面在减少阻力中的应用

期刊:istituto lombardo (rend. scienze)

这篇文章属于类型b。以下是生成的学术报告:


这篇题为《Superhydrophobic Surfaces for Drag Reduction》的文章由Alessandro Bottaro撰写,其作者所属机构为DICCA, Scuola Politecnica, Università di Genova,于2014年发表在Istituto Lombardo (rend. scienze)第148卷上。本文主要探讨了超疏水表面(Superhydrophobic Surfaces, 简称SH)在拖曳减阻中的潜在应用及其相关科学问题。文章从多个方面对SH材料的特性、制备方法、生物模拟、流动稳定性以及应用前景进行了深入的讨论。

一、超疏水表面的基本定义和特性

作者首先通过静态接触角定义了超疏水表面。如果静态接触角超过150°,并且接触角滞后小于5°,则表面被认为是超疏水的。超疏水特性依赖于两个关键因素:低表面能材料和表面粗糙度。作者引用了Wenzel和Cassie-Baxter模型,分别阐述了粗糙材料的润湿特性和在表面空隙中捕获空气所造成的“Fakir”效应。通过这些理论模型,作者解释了表面微观和纳米结构如何影响接触角和表面滑移现象。

此外,作者指出,超疏水材料通常需要结合微观和纳米尺度的分层结构以增强Cassie-Baxter状态的稳定性,从而避免向Wenzel状态的转变。文章还提到在实际应用中,如何通过设计粗糙结构以最大化滑移长度同时保持Cassie-Baxter状态,是一个科学和技术上的挑战。

二、仿生启发与生物模拟

作者详细介绍了一些来源于自然界的超疏水表面设计灵感。例如:

  1. 荷叶效应
    荷叶表面拥有双尺度结构:表面具有尺寸约为10微米的乳突状细胞,其上覆盖了约100纳米长的蜡晶结构。这种层级化表面结构在恶劣环境中仍能稳定保持Cassie-Baxter状态,从而确保其超疏水特性。

  2. Salvinia molesta的叶面
    这种水蕨叶面有一层弹性毛发,形状类似蛋形拍,其顶端局部为亲水区域。这些亲水区域通过固定气-水界面来防止气层流失,即使在湍流下也能保持数周。

  3. 昆虫表面
    作者描述了水黾(Gerris remigis)腿部的微观构造,以及Notonecta glauca翅膀的双层层次结构如何在水面行走和保持空气层方面表现出色。

这些生物系统展示了层级化结构的作用,并在追求人工SH表面设计过程中提供了重要启发。

三、人造超疏水表面及其制造技术

文章描述了多种制造SH表面的方法:

  1. 微加工技术
    通过光刻工艺,可以生成具有规则微柱或微脊阵列的SH表面。这些结构虽然在实验室非常有效,但由于成本和规模限制,它们的大规模工业应用受限。

  2. 喷涂工艺
    喷涂聚甲基丙烯酸甲酯等聚合物可以快速覆盖大面积的基底,生成分级纹理表面。

  3. 机械研磨
    作者特别提到了一种低成本技术:使用砂纸研磨聚四氟乙烯(Teflon)表面,从而创建粗糙表面。该方法虽简单,但在流量减阻实验中表现出显著效果,并且适用于大面积处理。

  4. 其他技术
    如电纺技术以及通过模具浇铸的纤维结构被提及。但这些方法目前仍需克服耐磨性不足的缺点。

四、滑移现象与流体力学研究

作者详细分析了滑移现象在SH表面的表现,尤其关注滑移长度(slip length)的重要性。通过Navier边界条件,滑移长度被定义为液体相对于固体表面的虚拟零速点的距离。文章指出,在湍流层内,当滑移长度与粘性亚层厚度相当时(约为+5至+30,即摩擦速度比值),会显著降低剪切应力和摩擦阻力。

另外,作者引用了Philip等人的理论,分析了多种SH微结构的滑移长度特性,并得出滑移长度与固体面积分数反比的结论。

文章还讨论了SH表面在不同流动状态下的效果:

  1. 在层流下,SH表面能够显著延迟湍流转捩(transition to turbulence),但这一效果仅在微通道中显著。
  2. 在湍流状态下,SH表面通过改变近壁湍流结构降低摩擦阻力,实验数据显示高达75%的阻力减少。

五、抗生物污损性能与实际应用

船体由于暴露在水中,会受到生物污损(biofouling)的影响,例如藤壶、贝类等附着物会显著增加阻力。文章指出,SH表面不仅能减少水动力阻力,还可能通过形成空气保护层,降低生物附着面积并限制污损的发生。

为了实现更长时间的抗污和减阻性能,作者也提到了一些潜在的解决方案,如使用电解生成气体补充SH表面气层,或者在SH表面采用微型屏障结构以限制气体流失。

此外,文章提到Nippon Paint Marine开发的一种含水凝胶颗粒的低摩擦抗污涂料(A-LF-Sea),能够减少15%的摩擦阻力,并指出这是商业化的成功案例之一。

六、意义与前景

作者在结尾部分总结了SH表面在拖曳减阻及其他应用场景中的巨大潜力。文章认为,要使SH材料真正应用于工业领域,仍需克服以下问题:

  1. 延长Cassie-Baxter状态的寿命,以承受更多外界压力和剪切力;
  2. 提高涂层的耐磨性和工业化加工能力;
  3. 降低成本,简化大规模使用的制造工艺。

如果这些技术挑战能够解决,SH表面将在节能减排、海洋运输等领域带来重大经济和生态效益,例如在航运中减少皮肤摩擦阻力将显著节约燃料费用并降低温室气体排放。

七、结语

总体而言,本文通过多方面探讨验证了SH表面在流体动力学领域的多功能性,并为未来研究提供了宝贵的理论基础和研究方向。它不仅展示了自然界创造的灵感,还明确了技术实现的现实挑战。随着技术的进一步发展,SH表面的商业化应用值得期待。


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