探討超疏水技術在水下航行器上的應用

顧長捷

(山西汾西重工有限責任公司，山西 太原 030012)

0 引言

1997 年，德國波恩大學的W. Barthlott 教授提出了“荷葉效應(lotus effect)”[1]，此后人們對超疏水表面的研究取得了突出的進展。通常將接觸角小于10°的表面定義為超親水性表面，將接觸角小于90°的表面定義為親水性表面，大于90°小于150°為疏水性表面，大于150°時則為超疏水表面[2]。荷葉超疏水特性是由其粗糙表面上的微米結構和乳突以及表面蠟狀物的共同存在引起的，并且表面微米結構乳突上還存在著納米結構[1, 3]。生物適應其生存環境所展現出的各種功能，是通過多因素耦合作用得以實現的，即生物體表面的不同形態、結構、材料等諸多耦元通過相互之間的耦合作用而使生物體表功能達到最優化、對環境適應最佳化和能量消耗最低化[4-5]。

超疏水涂層的制備既可以通過在基體表面構建微結構并采用低能物質進行修飾，也可以將適當的微結構直接構建在低表面能物質上[6]。目前，國內外超疏水涂層的制備方法主要有：相分離法、結晶化控制、化學氣象沉積、溶液浸漬法、磁控射頻法、等離子刻燭法、脈沖激光沉積、溶膠凝膠法、自組裝技術、層層沉積技術、平板印刷法、電沉積法和電鍍技術等。超疏水技術的研究除了具有理論價值以外，還具有重要的應用價值。材料表面的超疏水效應可以解決困擾水下航行器領域多年的航行阻力大、殼體受海洋生物侵蝕嚴重以及噪音高等問題。因超疏水涂層獨特的物理和化學特性，超疏水技術受到了水下航行器研究的重視。本文主要介紹超疏水技術在水下航行器領域的應用研究現狀。

1 超疏水技術在水下航行器的應用研究進展

1.1 超疏水技術在水下航行器減阻領域的應用

水下航行器在航行的過程中，水和殼體表面接觸時會產生摩擦阻力，并且還會引起興波阻力以及漩渦阻力等[7]。因此，降低水下航行器運行時所受到的各種阻力，可以顯著提升航速，降低能耗，是一項重要的工程技術。水下航行器所受阻力主要分為：粘性阻力和非粘性阻力：前者包括形狀阻力(壓差阻力)和表面摩擦阻力；后者包括空化阻力(高速航行)和興波阻力(處于流體表面)[7]。完全浸沒流體的航行器，主要受到流體粘性阻力作用，即形狀阻力和摩擦阻力，表示為[7]

(1)

式中：ρ0為流體密度；u0為流體速度；As為迎流面積；Aw為物體濕面積；Cd為形狀阻力系數，在物體形狀固定和一定流速(或雷諾數)范圍內可視為常數；Cf為表面摩擦系數。

鸕鶿的羽毛微觀結構具有整齊排列的微米或亞微米條形結構，使得水滴易于順著條帶方向向外側滾離，具有定向排水的功能，該結構與生物有機物相結合實現了超疏水效應，可以降低鸕鶿在水中的阻力。研究工組者從鸕鶿等動物上汲取靈感，探究超疏水涂層對減阻的作用。經過研究發現：在層流狀態下，超疏水涂層減少“附連水質量”和表面摩擦阻力系數Cf，降低阻力[7]。在湍流狀態下，除上述效應外，超疏水涂層使湍流轉捩點位置后移，減小湍流，延遲空化，進一步降低運行阻力[7]。此外，當水下航行器具有超疏水表面時，空氣可以充滿其表面殼體微觀結構，在運行過程中水流主要從微結構間的空氣層流過，液體與氣體之間發生無剪切滑移，從而減小摩擦阻力[6]。

陳曉玲等[8-9]使用FLUENT 軟件，對直徑6 mm的超疏水圓管內湍流流動進行了數值模擬，模擬結果顯示，當Re大于臨界值時，超疏水管內湍流流動表現為減阻作用，反之則為增阻作用。基于已有壁面滑移理論研究基礎，胡海豹課題組[9]采用直接修正壁面剪應力公式的方法，數值模擬了不同滑移條件下疏水通道的減阻作用。結果發現，層流狀態下，疏水通道的滑移速度與減阻量成正比例關系，滑移速度越大，減阻量越大(圖2)；而湍流狀態下，壁面滑移使得近壁區湍動能和湍流耗散率明顯低于無滑移表面，且滑移速度越大，湍流脈動越小，減阻效果也更顯著(圖3)[9]。

哈爾濱工程大學的張林研究員利用重力式低噪聲水洞條件，采用魚雷模型，進行了多次不同流速，有、無涂層情況下魚雷模型的流噪聲、壓力脈動和殼體振動的測試，同時利用應變片測量流體阻力的變化。測試結果表明：疏水涂層在高流速下有減阻降噪效果，且隨著流速的增加，效果越來越好，但在低流速下卻增加了流體阻力和流噪聲。Gogte等人[10]研究發現在層流條件下，超疏水表面至少能減少10%的摩擦阻力。汪家道等[9,11]通過在具有微結構的回轉體模型(直徑12 mm，長155 mm)表面噴涂聚四氟乙烯涂層實現了接觸角超過120°的疏水性表面，并在微小型水洞中獲得了最大約25%的減阻效果。Park等人[12]研究發現，在紊流條件下，超疏水表面比平滑表面的摩擦阻力減小甚至高達75%。Dong等人[13]發現，在高速行駛條件下，具有超疏水性表面的航行器模型比正常表面的模型其阻力降低了38.5%。此外，范等人[14]通過數值模擬研究了3種超疏水表面模型對減阻性能的影響，結果表明：對于形狀簡單瘦長的Wigley船型，最大減阻率可達到27.688%；而當在船中布置同樣面積的超疏水表面時，其減阻效果最好，其次是船首，最后才是船尾。

無論從理論還是實驗，超疏水的減阻效果都得到了證實。因此，超疏水對于水下航行器減阻具有重要的研究價值，其減阻機理也已初步明確，但仍存在大量問題有待揭示，如何研制化學性質穩定、粘附力強、環境適應性好的減阻涂層材料是超疏水技術在能否水下航行器領域工程化應用的關鍵點之一。

1.2 超疏水技術在水下航行器防生物污損領域的應用

水下航行器由于其服役特點，需要長期在水下潛伏和運行，服役期間航行器殼體表面接觸到微生物、植物、動物等海洋生物。當海洋生物聚集并附著在表面時，對其會造成表面的污損，水下生物的附著侵蝕導致水下航行器過早失效，大大縮短了航行器的服役期限。此外，海洋微生物附著在航行器表面破壞了其流體線型，增大航行阻力，降低了水下航行器的快速機動能力。已報道的造成海洋污損的生物種類具有四千多種，并且容易生存在溫度較穩定，水流通暢的港灣、江河入海口等。研究表明，當材料進入海水中時，由于靜電、氫鍵、范德華力等的作用，基材表面在短時間內會聚集有機分子如多糖、蛋白、糖蛋白以及一些無機化合物，形成一個富含蛋白的基膜(Conditioning layer)。隨后，海洋細菌和單細胞硅藻等微生物快速沉積在基膜上，通過分泌胞外多聚物(EPS)與基材表面進行粘結，形成生物膜[15]。這種生物膜的存在有利于更大尺寸生物的附著，最后形成復雜的生物附著層。圖4展示了生物粘附的發展過程[16]。

海洋生物通過分泌粘液吸附在材料表面，在該過程中，粘液首先需要潤濕固體表面。因此，潤濕性決定了生物與表面之間的吸附情況，潤濕性越好，越有利于生物的附著，附著強度大；若潤濕性差，則情況相反。當水下航行器涂覆超疏水涂層后，可以顯著降低海洋生物在其表面的附著力[17]，海洋生物易脫附，實現表面的自清潔。從圖5可以看出，隨著接觸角的增大，附著的生物越少，因而，超疏水表面能夠有效地減少生物的附著。

Brennan課題組[18]根據鯊魚皮表面的防污原理,制備了類鯊魚皮微結構的表面涂屋。在材料表面構建約15 μm的近菱形凸起,每7個平行凸起為一組。經測試,該涂層呈超疏水狀態，對常見的海洋藻類和多種浮游生物具有優異的防污能力。Zhang[18-19]在硅基底材料表面構造/納米級結構，該超疏水結構的粗糙度為2.7 μm，接觸角為169°。通過對比發現，具存微結構的試樣可以有效控制常見污損生物的附著,有著較強的防污能力。Becher[20]等人對比了光滑和微米結構超疏水表面的防污能力，結果顯示：在相同條件下，有微結構的超疏水表面要比光滑表面具有更強的防污能力；在實海掛板實驗一年后，光滑表面上附著了大量的微生物，而有微結構的超疏水表面僅有少量的微生物附著。

在材料表面構造微結構超疏水涂層在防污領域有著良好的應用前景,這種方法基于仿生原理,仿制生物防污表面的結構,最終能夠達到理想的防污效果。超疏水技術不僅有廣譜性和高效性,同時安全環保,對環境無污染,是未來水下航行器防污領域研究的新方向。

1.3 超疏水技術在水下航行器防腐蝕領域的應用研究

水下航行器的輕量化是其發展的重要方向，比強度高和比模量高的輕質鎂鋁合金收到了越來越多的關注。然而，輕質合金抗腐蝕性往往較差，容易受到海水的腐蝕，導致水下航行器因腐蝕失效。根據Cassie潤濕模型可知[21]，超疏水表面的微結構能夠捕獲一定的氣體，氣體將液滴與航行器表面分離，液體不能填滿材料表面的凹槽，有效地防止金屬腐蝕，如圖6所示。當水下航行器表面采用超疏水材料時，能夠降低水與殼體表面的接觸，從而有效預防或阻止海水對水下航行器表面的腐蝕。

范偉博[22]通過化學刻蝕法在AZ91鎂合金表面制備了超疏水涂層，其接觸角由35°增加至154°，在3.5wt%的NaCl溶液中，AZ91合金的腐蝕電位(V)由-1.48增加至-1.42，腐蝕電流密度(A·cm-2)由1.66×10-3降至4.99×10-4，經過超疏水工藝處理的AZ91合金試樣的電位相比未處理試樣有提高，且經過超疏水工藝處理的試樣其腐蝕電流密度相比未處理試樣的腐蝕電流密度有數量級的降低，說明超疏水涂層抑制了AZ91鎂合金表面的腐蝕，合金耐腐蝕性能相比于未處理試樣有了顯著的提高。孫佳[23]使用化學復合鍍的方法，對AZ31鎂合金進行了超疏水處理，在3.5wt%的NaCl溶液中，AZ31合金的腐蝕電位(V)由-1.567增加至-1.455，腐蝕電流密度(A·cm-2)由4.45×10-4降至1.29×10-6，涂覆超疏水涂層后，AZ31合金的耐腐蝕性能提升顯著。劉金丹[24]通過一步合成法在鋁合金上制備出超疏水表面，其接觸角高達171.9°，滾動角為6.2°。結果表明合金腐蝕性能得到提高，如圖6所示。此外，劉金丹[24]等還通過激光加工結合化學刻蝕法在3005鋁合金表面制備了超疏水涂層，并對涂覆超疏水涂層前后3005鋁合金的腐蝕電位和腐蝕電流密度進行了對比。3005鋁合金超疏水表面的腐蝕電位(V)為-0.968±0.02，高于裸露的鋁合金-0.814±0.02，腐蝕電位的正向移動是由于鋁合金表面的超疏水性涂層的防護性。超疏水涂層的腐蝕電流密度(1.66×10-5mA/cm2)比裸露的鋁合金(6.3×10-4mA/cm2)減少了一個數量級。這主要是由于鋁合金表面化學成分所改變的[24]。她認為超疏水表面由較大的凹槽和較小的孔洞組成，潤濕狀態呈現 Cassie 浸漬潤濕狀態，這些結構可輕易捕獲空氣，形成空氣袋。空氣袋和毛細血管力使得腐蝕介質很難接觸鋁合金基底進一步浸漬表面，因而獲得了較好的耐腐蝕性。這些結果說明鋁合金表面的超疏水涂層具有更好的耐腐蝕性[24]。連鋒等人[25]在船用鋁合金上構建超疏水表面，該表面符合Cassie狀態，并且隨著微結構間距增大其接觸角減小，滾動角增大，耐海水腐蝕性能顯著增強。當微結構間距為100 m時，其表面具有最大的接觸角(157.8°)和最小的滾動角(0.57°)，并將腐蝕阻抗提高2個數量級[25]。

通過超疏水技術可以顯著提升輕質鋁鎂合金的腐蝕電位并降低腐蝕電流密度，進而提升輕質合金的抗腐蝕能力，進而解決輕質鎂鋁合金抗腐蝕能力差這一限制水下航行器輕量化的瓶頸問題，提升水下航行器的綜合性能，具有重要應用價值。

1.4 超疏水技術在水下航行器降噪領域的應用

未來水下航行器將向著高隱蔽性的方向發展。隨著現代探測手段的日益提高和探測技術的不斷發展，現代化掃獵技術陸續應用于實戰裝備，并對水下航行器的生存概率構成了巨大威脅。水下航行器的隱身技術主要是針對獵雷聲吶、磁探儀以及紅外成像探測等探測手段，是現代水下裝備發展的一個重要方向。隱身技術包括減震降噪隱身技術和輻射噪音隱身技術。其中，降低螺旋槳工作產生的噪音是提升水下航行器隱身技術的關鍵。螺旋槳噪音主要分為以下4種：1)空泡噪音，螺旋槳轉速達到一定程度，會導致槳葉局部壓力降低，一旦低于水的汽化壓力，產生空泡，空泡在葉面潰滅，產生內爆，會產生很大的噪音；2)伴流不均勻和斜流引起槳葉振動的噪音；3)螺旋槳后渦流噪音；4)雷體尾部反射來的噪聲以及螺旋槳旋轉引起的雷體振動噪音。

近年來，超疏水涂層技術對降低螺旋槳噪音的作用引起了研究工作者的關注。美國Bell實驗室研制的硅材質納米級針狀緊密排列的超疏水表面制備的螺旋槳，接觸角可以接近180°，其在層流區域可以減阻50%左右，噪音降低2～3 dB[7]。Gess等研究出的親水涂層，通過浸泡于水中的過程吸收水分子使得原來的流一固接觸面轉化為流一流接觸面，從而產生滑動，減小流阻，降低空泡噪音[7]。

此外，通過在水下航行器殼體材料表面制備超疏水涂層，可以直接影響其壁面剪切應力狀態，使得邊界層表面流速大于0，湍流轉捩點后移，可以減小流體阻力和流噪聲[2,6]。蘭州物理化學研究所將一種超疏水涂層噴涂于一拖曳陣模型的一段上，并在這段拖曳陣模型內部粘貼2個B&KS103水聽器,測試超疏水涂層對流噪聲的影響。在8 m/s、6 m/s和4 m/s三個流速下，超疏水涂層都表現出能降低流噪聲的效果，而且隨著流速的增加，降噪效果變好[7]。此外，蘭州化學物理研究所研制的低表面能涂層在宏觀上對水筒中的平板模型具有減阻效果，在流速不到9 m/s時，可降低平板阻力18%～30%，該涂層對水筒中的魚雷模型具有部分降噪效果，在某些流速，最大時可降低l0 dB[7]。

通過將超疏水涂層應用于航行器螺旋槳和殼體，降低其表面與流體界面的作用所產生的偶極子聲源，減小邊界層的“排擠厚度”，進而減小流體噪聲能量，實現超疏水降噪效果，提升水下航行器的隱身性能，增加航行器的生存概率。

2 結束語

超疏水技術能有效的降低水下航行器航行阻力，提升其抗腐蝕和抗生物污損的能力并降低航行器航行噪音，可以提升水下航行器的快速機動、高可靠性和隱身能力，具有廣闊的應用前景。然而，超疏水技術目前仍處于大量化工程應用的初步階段，在微結構構建和宏觀工藝實施環節均存在諸多技術難點，亟待進一步研究解決。

超疏水表面微結構構建環節的技術難點為構建特殊的微結構。目前以蝕刻方法為主，雖然表面粗糙程度可控但微結構形貌調控難度較大，尚不能完全達到通過構建材料表面特殊形貌實現材料表面超疏水特性的目的。隨著3D打印技術的不斷成熟，可以通過3D打印的方法制備微結構可控的表面，實現超疏水微觀結構的精準調控。

超疏水技術宏觀工藝應用的難點之一為提升超疏水涂層與基體的附著力。超疏水涂層中的低能涂料與基體之間僅靠范德華力相連，無強化學鍵連，涂層與基體附著力差，在涂層受到剮蹭等外力沖擊時容易脫落，導致超疏水涂層失效。制備與基體存在化學鍵相連的高附著力超疏水涂層是加速推進超疏水技術工業應用的關鍵環節之一。

此外，多數超疏水涂層存在成本高昂、設備復雜、方法繁瑣、條件苛刻和周期長等缺點，仍需繼續深入研究超疏水機理，不斷探索工藝簡單、經濟環保、使用周期長和性能穩定等的超疏水技術，為水下航行器功能涂層的發展提供重要的技術保障。