余斌等:仿生超疏水表面技术及其军事应用 表面稍微倾斜水滴便会从固体表面上滑落,即使阻力占到相当大的比例,尤其是潜艇鱼雷等完全 固体表面存在小孔、裂缝等间隙,超疏水表面球形浸没在水中运动的航行体,因此降低摩擦阻力对 水滴叶不会沿着间隙渗入固体内部。缩小的水滴水下减阻具有重要意义也是水下减阻研究的重要 与固体接触面积以及水滴极易从固体表面上滑落领域之一。处于 Cassie- Baxter态的超疏水表面驻 可以有效的隔绝固体表面与水的接触,因此制备留大量气体,航行体与海洋接触面实际由固-液界 具有超疏水表面的高压电网可有效减缓冬季覆冰面与气-液界面两种界面组成,而气-液界面摩擦 危害。水滴不会沿着间隙渗人固体内部则可解决系数远远低于固-液界面的摩擦系数,超疏水表面 防锈漆因存在小孔、裂缝等问题引起的腐蚀,因此实际采用气-液界面替代固-液界面的方式降低了 超疏水表面可以增强防锈漆的防氧化抗腐蚀能航行体的水下阻力。超疏水表面驻留的气体易受 力 到压力、水流等因素的影响随时间失去而无法获 二)自清洁 得补充,因此超疏水表面有效减阻时间与减阻效 类似荷叶的超疏水表面具有自清洁的特殊性率同样是重要的减阻衡量指标。海洋航行体表面 质,这也是荷叶能够“出淤泥而不染”成为东方文超疏水化处理是减小低速航行摩擦阻力的有效方 化象征的原因。超疏水表面特殊的微结构使得污式因,虽然目前超疏水表面减阻的方式存在速度 染物附着力降低,水滴在超疏水表面较小的滚动低、水深浅、时间短等限制条件,但依然是一种简 角使得雨水极易发生滚动并且带走污染物,使得单高效的水下减阻方式,一旦研究突破这些问题 表面保持干净。因此在高层摩天大楼玻璃表面制将会得到大规模军事应用。 备超疏水表面可以减少维护清洁的成本。 (二)海洋防腐 三)减小流体阻力 海洋环境下金属很容易发生氧化腐蚀,无论 Cassie- Baxter模型中,表面微结构中驻留大是海军水面舰艇、潜艇、甚至是沿海或海岛上的陆 量空气是超疏水表面形成的原因,即水与超疏水地设置都受到氧化腐蚀的威胁。南海高温、高湿 表面的实际接触面是由液-固界面与液-气界面两高盐环境更是加剧了氧化腐蚀,对金属材料海军 种界面组成的。超疏水表面在流体中发生相对运装备构成巨大的威胁,菲律宾非法搁浅在仁爱礁 动时,液-气界面的摩擦系数远远小于液-固界面的登陆舰因无法返厂维护保养几乎已经锈通濒临 的摩擦系数,因此超疏水表面在流体中运动的摩解体。随着我国海军活动范围逐渐增大尤其是南 擦阻力会减小实现减小流体阻力的目的。制备超海活动增多,海洋防腐日益迫切。目前金属防腐主 疏水表面的水管或者输油管道,减小流体在管道要采用牺牲阳极或外加电源改变金属的电势分 中运动的摩擦阻力,有望降低远程流体管道运输布、表面刷防锈漆等手段,成本较髙且只能延缓廣 的成本。同时超疏水表面可以降低舰船的流体阻蚀,不能根本解决问题。超疏水表面具有防水的性 力,节约能源消耗 质,可以阻断水分与金属材质的接触从而缓解水 面舰艇水线以上部分的氧化腐蚀难题叫。通过增加 二、超疏水表面的军事应用价值 表面粗糙度方法制备环氧化合物超疏水表面涂 层,既可以利用超疏水表面防水性质阻止水分沿 超疏水表面防水、自清洁、水下减阻等特殊性着涂层缝隙进人形成孔蚀,又结合了环氧化合物 质对军事武器装备未来的功能表面制备提供了新作为防锈漆的致密隔水性能,达到更好的防氧化 的解决方案,超疏水表面在军事装备尤其是在水抗腐蚀的效果 面舰艇、潜艇、鱼雷等海军装备表面处理方面潜在 (三)舰艇抗结冰 应用价值巨大。 低纬度寒区航行的水面舰艇甲板上浪以后很 (一)水下减阻 容易结冰,最终在舰艇表面形成覆冰现象。去年长 水面与水下运动航行体受到的阻力远远大于期在温暖海域活动的韩国海军驱逐舰崔保莹赴俄 相同情况下在空气中运动的阻力,在功率不变的罗斯符拉迪沃斯托克港访问,在寒区航行形成严 情况下降低水下阻力可以提高航速,在航速不变重的覆冰现象,严重覆冰甚至改变了舰艇的重心 的情况下降低水下阻力可以增大航程。虽然航行造成舰艇倾斜面临倾覆危险。舰艇覆冰是海军长 体受到的水下阻力构成比较复杂,但是表面摩擦期存在的问题,但是到目前为止舰艇表面除冰的余 斌 等 ：仿生超疏水表面技术及 其军事应用 43 表 面稍微 倾 斜水 滴 便会 从 固体 表 面上 滑 落 ，即使 固体 表 面存 在~b；fL、裂 缝等 间 隙 ，超疏 水 表 面球 形 水滴 叶不 会 沿着 间隙渗 入 固体 内部 。缩 小 的水 滴 与 固体 接触 面 积 以及水 滴 极易 从 固体表 面 上 滑落 可 以有 效 的隔 绝 固体 表面 与水 的接 触 ，因此制 备 具有 超 疏水 表 面 的高压 电 网可有 效 减缓 冬 季覆 冰 危 害 。水滴 不会 沿 着 间 隙渗入 固体 内部 则 可 解决 防锈漆因存在~b；fL、裂缝等问题引起 的腐 蚀 ，因此 超 疏 水 表 面 可 以增 强 防 锈 漆 的 防 氧 化 抗 腐 蚀 能 力 。 (二 )自清洁 类 似荷 叶 的超 疏 水表 面 具 有 自清 洁 的特 殊性 质 ，这也是荷 叶能够“出淤泥而不染 ”成为东方文 化 象征 的原 因 。超 疏 水表 面 特 殊 的微 结构 使 得 污 染 物 附着 力 降低 ．水 滴在 超 疏水 表 面 较小 的滚 动 角 使得 雨 水极 易发 生 滚 动并 且 带走 污 染物 ，使 得 表 面保 持 干净 。因此 在 高层 摩 天 大楼 玻璃 表 面 制 备超疏水表面可 以减少维护清洁的成本。 (三 )减 小流 体 阻力 Cassie—Baxter模 型 中 ．表 面 微 结构 中驻 留大 量 空气 是 超疏 水 表 面形 成 的原 因 。即水 与超 疏 水 表 面 的实 际接 触 面是 由液一固界 面与液 一气 界 面两 种 界 面组 成 的 。超疏 水 表 面在 流体 中发 生相 对 运 动时 ．液 一气界 面 的摩 擦 系数远 远 小 于液 一固界 面 的摩擦 系 数 ，因此超 疏水 表 面 在 流体 中运 动 的摩 擦阻力会减小实现减小流体阻力的 目的。制备超 疏 水 表 面的水 管 或者 输 油管 道 。减小 流 体在 管 道 中运 动 的摩擦 阻 力 ．有 望 降低 远 程流 体 管 道运 输 的成本。同时超疏水表面可 以降低舰船的流体阻 力 ，节 约能 源 消耗 。 二、超疏水表面 的军事应 用价值 超疏 水 表面 防水 、自清 洁 、水 下减 阻 等 特殊 性 质对 军事 武 器装 备 未来 的功能 表 面制 备 提 供 了新 的解 决方 案 ，超 疏水 表 面 在军 事 装备 尤 其 是在 水 面舰 艇 、潜 艇 、鱼雷 等海 军装 备 表 面处 理 方 面潜 在 应用 价值 巨大 。 (一 )水 下减 阻 水 面与 水下 运动 航 行 体受 到 的阻力 远 远 大于 相 同情 况下 在 空气 中运动 的 阻力 ，在功 率 不 变 的 情 况下 降低 水 下 阻力 可 以提 高航 速 ，在 航 速 不变 的情 况 下 降低 水下 阻 力可 以增 大 航 程 。虽 然 航行 体 受到 的水 下 阻力 构 成 比较 复杂 。但 是表 面 摩擦 阻力 占到相 当大 的 比例 。尤 其 是潜 艇 鱼 雷等 完全 浸没 在 水 中运动 的航行 体 ，因此 降低 摩 擦 阻力 对 水下 减 阻具 有重 要 意义 也是 水 下 减 阻研 究 的重 要 领域 之 一 。处 于 Cassie—Baxter态 的超疏 水 表面 驻 留大量 气体 。航 行 体与 海洋 接 触面 实 际 由 固一液 界 面 与气 一液界 面 两种 界 面组成 ，而气一液界 面摩 擦 系数 远 远低 于 固一液 界 面 的摩 擦 系数 ，超 疏 水表 面 实际采用气一液界面替代 固一液界面的方式降低 了 航行 体 的水 下 阻力 。超 疏 水 表 面驻 留 的气 体易 受 到 压力 、水 流 等 因素 的影 响 随 时间 失去 而 无法 获 得 补充 ，因此 超疏 水 表 面有 效减 阻 时 间与 减 阻效 率同样是重要的减阻衡量指标。海洋航行体表面 超疏水化处理是减小低速航行摩擦阻力 的有效方 式 [31，虽 然 目前超 疏 水表 面 减 阻 的方式 存 在 速度 低 、水 深 浅 、时 间短 等 限 制 条件 ，但 依 然 是一 种 简 单 高效 的水下 减 阻方 式 ，一 旦研 究 突破 这 些 问题 将 会得 到大 规模 军事 应用 。 (二 )海 洋 防腐 海 洋 环境 下金 属 很 容易 发 生氧 化腐 蚀 ．无论 是海军水面舰艇 、潜艇 、甚至是沿海或海 岛上的陆 地设置都受到氧化腐蚀的威胁。南海高温 、高湿 、 高盐环境更是加剧 了氧化腐蚀 ，对金属材料海军 装 备构 成 巨大 的威 胁 ．菲律 宾 非法 搁 浅 在仁 爱礁 的登 陆舰 因无 法 返厂 维 护保 养 几乎 已经锈 通 濒 临 解 体 。 随着我 国海军 活 动范 围逐渐 增 大 尤其 是南 海活动增多 ，海洋防腐 日益迫切。目前金属防腐主 要 采 用 牺 牲 阳 极 或 外 加 电 源 改 变 金 属 的 电势 分 布 、表 面 刷 防锈漆 等 手段 。成 本 较 高且 只 能延 缓腐 蚀 ，不 能根 本解 决 问题 。超疏水 表 面具 有 防水 的性 质 ，可 以阻 断水 分 与金 属材 质 的接 触 从 而缓 解水 面舰艇水线以上部分的氧化腐蚀难题[41。通过增加 表面粗糙度方 法制备环 氧化合物超 疏水表 面涂 层 ．既可 以利用 超 疏水 表 面 防水性 质 阻 止水 分 沿 着涂 层缝 隙进入 形 成孔 蚀 ．又 结 合 了环 氧化 合 物 作为 防锈 漆 的致 密 隔水 性 能 。达 到更 好 的 防氧 化 抗 腐 蚀 的效果 。 (三 )舰艇 抗结 冰 低纬度寒区航行的水面舰艇 甲板上浪以后很 容易 结冰 ，最 终在 舰艇 表面 形成 覆冰 现象 。去年 长 期在 温 暖海 域 活动 的韩 国海军 驱 逐舰 崔 保 莹赴 俄 罗斯 符拉 迪 沃斯 托 克港 访 问 ．在 寒 区航 行 形成 严 重 的覆 冰 现象 ，严 重覆 冰 甚 至 改变 了舰 艇 的重 心 造成 舰 艇倾 斜 面 临倾覆 危 险 。舰 艇 覆冰 是 海军 长 期存 在 的 问题 ．但 是 到 目前 为止 舰艇 表 面 除冰 的