激光仿生微織構在水下航行器領域減阻研究

摘 要：文章圍繞水下航行器的減阻研究展開討論，對水下航行器減阻基本措施進行分析。結合仿生微織構的研究熱點，提出運用激光直寫制備仿生微織構的設計思想，從技術實現方法的角度分析了可行性，技術利用多光束激光干涉產生的圖案（空間上多周期的能量分布）直接加工或修改材料表面（曲面或平面）形成與圖案相對應的高精度納米級、微米級及微納混合的周期性結構，得到具有特殊物理和化學特性的材料表面，可為水下航行器提供一種表面仿生微織構制備方法，屬于對現有水下航行器摩擦學性能的改進，提高水下航行器的減阻性能。

關鍵詞：水下航行器 減阻 激光干涉 仿生微織構

中圖分類號：U67 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2016）11（c）-0045-03

中國是路海兼備的發展中海洋大國，海洋為中國經濟的可持續發展提供了廣闊的發展空間，在這樣的宏觀背景下，探索認知海洋是開發利用和保護海洋的先決條件。水下航行器是一種航行于水下的航行體，它能夠完成水下勘探、偵測甚至軍事上的進攻防守等任務，在海洋經濟建設和海洋國防中發揮著重要作用。海洋環境特殊，條件苛刻，水下航行器的運行速度和能量消耗是評價航行器的續航能力、運行成本和航行體性能的重要指標。航行器在海水中的運行阻力是制約航行器在水下運行速度和能量消耗的關鍵因素。據統計，摩擦消耗了世界能源的1/3以上，磨損導致了約60%的機械材料損耗，其中船舶機械中70%左右的失效與摩擦磨損有關[1]。減小水下航行器的運行阻力可在提高航速和續航能力的同時節省能源，提高水下航行器的負載能力。因此，降低水下航行器阻力是提高水下航行器航速的有效方法之一。

1 水下航行器減阻基本措施

水下航行器的分類有多種類型，按用途分有作業用和測量用兩類，根據臍帶電纜的有無可分成有纜、無纜、有纜無纜通用型三類，按尺寸可分為超小型、小型、中型、大型等，按有無人控制可分為載人水下航行器和無人水下航行器。當水下航行器在水中工作時，由于海水具有粘性的緣故，水下航行器周圍有一薄層水被帶動隨同運動，稱為邊界層。穩定的層流層將有助于減小摩擦。邊界層水分子運動速度不同，水和航行器表面及水內部相互作用，對航行器表面產生切向應力。這個切向應力與航行方向之間的合力即為水下航行器的摩擦阻力。用下式表示：

其中，ρ為海水密度，V為水下航行器的航行速度，S為水下航行器表面積，為水下航行器的摩擦阻力系數。由上式可知，航行器的摩擦阻力與航行速度和摩擦阻力系數相關。目前，主要的水下航行器減阻方法主要從降低航行器的摩擦阻力系數入手，降低水下航行器的摩擦阻力。

水下航行器減阻的主要方法包括隨行波減阻法、涂層減阻、微氣泡減阻法、柔性表面減阻法、外形優化設計減阻法、仿生微織構減阻法等。各種減阻方法的主要思路就是改變流場的狀態，延長層流，抑制湍流，推遲從層流到湍流的發展，達到降阻的目的。其中，仿生減阻運用類比、模擬及模型方法復刻動植物特有外表結構，其目的不在于直接復制各個細節，而是要明確生物系統的工作原理，以實現特定功能。微織構減阻只需要在航行器表面加工出微織構結構或者粘附微織構薄膜等就可實現減阻，不需要外加設備，應用前景廣闊。仿生微織構減阻將仿生學和微織構減阻結合，屬于仿生研究模型的延伸，在明確生物系統工作原理的基礎上，與工程應用結合，可顯著提高表而摩擦學性能，降低摩擦阻力，已得到國內外科學技術工作者的廣泛關注，具有廣泛的應用前景。

2 仿生微織構減阻研究進展

為了適應優勝劣汰的生存法則，動物在進化過程中都有制勝的對策。其中，比較廣泛的選擇是在體表形成一定規模和尺寸的表面織構，如，海豚皮膚結構，真皮層有許多乳頭狀的突起可以在運動過程中承受巨大的壓力。同時，皮膚附近的水流由渦流層變成層流層，在水中游動時皮膚就類似于一種減振器，按水流的波動起伏，靈活變形，把阻力減到最小，成為海洋中的游泳高手；穿山甲的體表凹凸明顯，體表鱗片曲率波紋的存在，讓土壤與體表的接觸面之間存在一定的空隙，使凹處形成無土區，即使在粘土里穿行，也可以打斷連續水膜的形成，減少與土壤之間的真實接觸面積，凹區儲存的空氣可形成空氣膜降低摩擦系數，增加潤滑效果，有利于其穿梭于土壤砂石之間。目前科學家仿造海豚特殊的皮膚結構，制造了人造海豚皮，雖然只能模仿海豚皮膚的部分功能，但是已成功將阻力減小40%～60%，目前已經應用到魚雷和潛艇領域。英國的CV90“犰狳”戰車，車身擁有良好的斜角設計，垂直裝設的裝甲側裙板采用先進的復合材料制成，可吸收雷達波并降低車輛運作時所散發的紅外線，具有反雷達追蹤能力，即便在遭遇核生化環境下，其外型也有助于進行除污等洗消作業，是目前最著名的穿山甲仿生設計，具有軟硬兼施的防護力，堪稱現實版的穿山甲。科學研究發現鯊魚皮表面微溝槽結構的出現，渦旋只與微溝槽尖峰接觸，剪切應力較小，流速較快，微生物只有很短的時間沉積在溝槽表面，可起到降低摩擦、自清潔作用，根據鯊魚的皮膚特點，SPEEDO公司研制了仿鱉魚皮泳衣，穿著這種能有效減少阻力、消減皮膚振動和肌肉震蕩的神奇泳衣的選手打破了不少世界紀錄。基于蚯蚓背孔射流的仿生射流表面也引起了仿生學家的關注，蚯蚓瞬間射流時，體腔液噴射到土壤及背孔四周，使得背孔附近區域得到潤滑，減小體表與土壤之間的摩擦阻力。射流表面通過改變壁面邊界層實現對流場進行有效的控制，以減小壁面的黏性剪切應力和雷諾應力，繼而減小壁面所受的摩擦阻力以達到減阻作用。建立合理的仿生射流表面結構模型，可為工程實踐提供新型減阻方法。

表面形貌對摩擦副摩擦行為及潤滑性能有很大的影響。通過在表面加工具有一定規則的織構可以改善其摩擦特性和潤滑效果，其中織構形狀的幾何參數是關鍵因素之一，只有在合適的范圍內才會得到優異的潤滑效果，否則適得其反。

上海理工大學運用P秒激光在鑄鐵材料試件表面加工出橢圓形、溝槽、圓坑3種不同形狀，10%和20%兩種不同面積占有率的織構表面，并在MR-H5型高速環塊磨損試驗機上進行摩擦磨損測試，實驗結果證明合理的表面織構能夠改善材料表面的摩擦磨損性能，達到節能減排的目的[2]。

杜宏益等利用仿生摩擦學原理在刀具的表面建立刀具切削模型，仿真溝槽微織構形貌，研究了不同的織構形式對切削溫度和切削力的影響，證實織構模型有利于降低刀具切削力[3]。

宋保維等采用VOF多向流模型進行數值仿真研究，發現超疏水表面凹槽結構附近產生壓差阻力導致凹槽內部形成了低速漩渦，產生推動效應與渦墊效應；超疏水表面減阻率隨凹槽槽寬增大而增大，隨來流速度的增大而減小，受凹槽深度影響不顯著，矩形凹槽和V形凹槽與U形凹槽相比產生更好的減阻效果[4]。

韓志武等根據生物非光滑形態理論在軋輥模型試件表面加工出鱗片形、凸包形、凹坑形及波紋形4種非光滑形態，針對不同形態表面進行了摩擦磨損試驗。研究發現：經過激光織構處理的仿生非光滑表面的抗磨性能遠遠優于未加工的光滑表面（二者的磨損率相差幾十倍甚至上百倍），其中具有鱗片形仿生非光滑表面形態的試件的抗磨性能最佳[5]。

魏曉鳳等運用激光干涉直寫，成功制備酒窩點陣結構，成功改善鈷鉻鉬合金材料的摩擦性能，同時加強了材料硬度[6]。

織構的存在可以有效提高承載力，捕獲摩擦過程中產生的磨粒減小磨損，儲存滑液，并在潤滑不足的情況下充當暫存器提供二次潤滑。織構表面在摩擦副對摩速度較大時會甩出大部分的潤滑液/油，可以在表面發生磨損匱乏潤滑情況下提供暫存的潤滑液，達到持續潤滑的效果，提高整個摩擦副間的相互潤滑程度。同時，織構陣列可以容納磨粒，顯著改善在摩擦過程中產生的粒子所引起的磨損問題。凹坑狀、柱狀、溝槽狀微織構圖案是目前常見織構形貌。

3 仿生微織構制備工藝

表面微織構是在材料表面構建具有規整形狀的微/納米級微囊圖案結構，表面微囊具有儲存潤滑液的作用，從而改善摩擦配副表面的潤滑狀態，實現摩擦學性能的提高。通過仿生微織構達到改善材料摩擦學性能的主要手段有表面涂層法、表面接枝改性、等離子處理、表面圖案化等。表面涂層主要是通過增強材料表面性能達到減阻的目的。涂層好壞的關鍵在于涂層與基體間界面結合強度的大小，這是涂層中至關重要且較難解決的問題。在涂層應用中，由于摩擦引起的溫升會導致涂層失效、脫落。同時，涂層與基體的熱膨脹系數的差異會導致材料中存在內應力，進而影響抗磨、減阻能力。表面接枝改性是通過在材料表面接枝親水、疏水、親水/疏水或具有特定結構的官能團，實現材料表面潤濕性的改善，進一步改善摩擦學性能。由于技術條件的限制，目前材料表面接枝潤滑膜的厚度有限，僅達到納米量級。這對水下航行器在海洋水壓作用下，潤滑膜的潤滑效果的持久性有待驗證，且接枝改性后潤滑膜與基材的結合強度有待提高。等離子處理是將改性材料置于特定的氣氛下進行等離子輻照或通過離子注入方式改變材料表面的物理、化學狀態，從而實現材料表面物理、化學性能的改變。等離子體對材料的改性主要是以提高材料表面硬度、摩擦學阻力，從而提高材料的減阻、抗磨能力。

結合表面微織構的優勢，激光干涉制造在表面圖案化改性方面具有其他技術不可替代的潛力及優勢。該技術利用多光束激光干涉產生的圖案（空間上多周期的能量分布）直接加工或修改材料表面（曲面或平面）形成與圖案相對應的高精度納米級、微米級及微納混合的周期性結構，得到具有特殊物理和化學特性的材料表面。因此，將激光干涉制造技術與圖案化技術結合運用于水下航行器的表面改性方面，克服現有的技術不足，提供一種表面圖案化制備低摩擦水下航行器的方法，屬于對現有水下航行器性能的改進，提高水下航行器的摩擦學性能。

3.1 激光仿生微織構

激光干涉光刻技術是根據光的干涉原理對滿足干涉條件的兩束或多束相干光進行干涉，在二維、三維方向發生干涉組合。改變曝光時間、相位角、入射角等參數可得到不同的周期性圖形陣列，如，條紋陣列、點陣列、酒窩（孔）陣列。目前較多應用在太陽能電池板、人工自清潔結構、生物植入物等功能材料表面。

3.2 激光干涉光刻制備微織構陣列的理論模型

以三光束為例，設定空間角、、分別為0°、120°、240°，入射角為θ1=θ2=θ3=θ，偏振角、、，振幅均為A，則干涉光強為：

其中，波數，x、y為坐標[6]。

將各參數代入MATLAB，可得到三光束點陣圖，圖1為光強分布。理想情況下，三光束干涉結果可形成凹坑或突起點陣結構，均勻排列在六邊形的網格上，強度最大值可達到Imax=9A2。三光束激光干涉系統可分為三束光從同一個面入射和三束光從不同面入射，雖然最終制備的干涉圖形不同，但基本原理一樣。當三束光從一個平面以不同的入射角干涉時，干涉圖形為條紋陣列；當三束光從不同平面入射時，則得到規則點陣結構，可以用來制造表面織構陣列（如圖2所示），用來減小摩擦，提高潤滑，應用在軍事、軸承、人工關節表面以及水下航行器的表面。

4 結論

（1）微織構陣列的存在可以提高有效承載力，相比于光滑表面，織構表面暫存的潤滑液可以在匱乏潤滑情況下提供暫存的潤滑液，獲得持續的潤滑效果，改善整個摩擦副間的潤滑狀態。同時，織構陣列可以容納磨粒，顯著改善由摩擦產生的粒子造成的磨損問題，優化摩擦、磨損性能。

（2）激光干涉制造在表面圖案化改性方面具有其他技術不可替代的潛力及優勢。該技術利用多光束激光干涉產生的圖案（空間上多周期的能量分布）直接加工或修改材料表面（曲面或平面）形成與圖案相對應的高精度納米級、微米級及微納混合的周期性結構，得到具有特殊化學和物理特性的改性材料。

（3）將激光干涉制造與仿生微織構結合，運用在水下航行器表面，可達到降阻節能的目的。

參考文獻

[1] 嚴新平，袁成清，白秀琴，等.船舶摩擦學的發展展望[J].自然雜志，2015，37（3）：157-164.

[2] 陳傲，王書文，蔣春燕，等.激光表面織構對鑄鐵摩擦磨損性能的影響[J].表面技術，2016，45（9）：163-169.

[3] 杜宏益，何林，杜紅星，等.仿生摩擦學刀具織構設計[J].組合機床與自動化加工技術，2016（4）：138-142.

[4] 宋保維，袁瀟，胡海豹.層流狀態下超疏水表面流場建模與減阻特性仿真研究[J].西北工業大學學報，2012， 30（5）：712-717.

[5] 韓志武，任露泉，劉祖斌.激光織構仿生非光滑表面抗磨性能研究[J].摩擦學學報，2004，24（4）：289-293.

[6] Wei X，Li W，Liang B，et al.Surface modification of Co–Cr–Mo implant alloy by laser interference lithography[J].Tribology International，2016（97）：212.