超疏水表面水下減阻研究進展

任劉珍，胡海豹，宋保維，潘 光，黃橋高

（西北工業(yè)大學 航海學院，陜西 西安 710072）

0 引言

隨著海洋開發(fā)和海防形勢的變化，我國海洋利用區(qū)域不斷向深海、遠海延伸，突破遠航程技術迫在眉睫[1-2]。減阻是實現(xiàn)船舶和航行器遠航程的一條重要技術途徑。根據(jù)理論推算，將航行體阻力減小10%，在能源和航速等條件不變的情況下，航程可增加11.1%[1]。已有水下減阻技術包括超空泡、溝槽表面、柔性壁面、超疏水表面、微氣泡、高分子添加劑等[3-5]。

超疏水表面減阻方法可采用表面修飾或噴涂技術，通過在船舶和航行器外表面形成具有特定疏水微結構層，來實現(xiàn)水下減阻，具有簡便、經濟及海洋防污功能的優(yōu)點，在海洋工程等相關領域潛在應用廣泛[4,6-7]。本文在介紹超疏水表面潤濕特性的基礎上，綜述了超疏水表面水下減阻的研究現(xiàn)狀，并總結出超疏水表面氣液界面穩(wěn)定維持的技術途徑。最后，展望了超疏水表面水下減阻研究的重點方向。

1 超疏水表面潤濕特性

波恩大學植物學家Barthlott[8]最早發(fā)現(xiàn)荷葉微米級非光滑表面的超疏水自清潔效應——“荷葉效應”。此外，蝴蝶翅膀、水黽腿部、蚊子復眼等動物表面也具有類似超疏水特性[9-10]。固體壁面的潤濕狀態(tài)主要取決于液體屬性和壁面表面能、微形貌等。一般采用靜態(tài)接觸角θ來表征壁面潤濕性，通常將θ＜90°的表面稱為親水表面，其中θ＜5°的表面稱為超親水表面；而θ＞90°的表面稱為疏水表面，當θ＞150°時對應的固體表面稱為超疏水表面。如圖 1所示，圖 1（b）、1（c）、1（d）中，白色表示氣體，藍色表示液體，灰色表示固體。接觸角與固氣、固液、氣液的表面張力符合楊氏（Young）方程[11]：

式中，γsg、γsl、γlg分別表示固氣、固液、氣液的表面張力。

圖1 不同表面液滴接觸形態(tài)Fig. 1 Contact state of a water droplet on various surfaces

當液滴在傾斜表面靜止時，液滴前端和尾端的接觸角并不相等。逐漸增大壁面傾斜角使液滴處于臨界滑動狀態(tài)時，液滴前端的接觸角稱為前進角，液滴尾端的接觸角稱為后退角，二者之差稱為接觸角滯后。一般超疏水表面的接觸角大于 150°，接觸角滯后小于5°。

實際固體表面往往具有一定的粗糙度，液滴在具有單級微結構粗糙表面上的潤濕狀態(tài)可分為2種[6]：1）微結構阻止水侵入其空隙中，從而在固液之間形成間斷的氣液界面，對應為Cassie狀態(tài)，如圖 1（c）所示；2）微結構頂部氣液界面被破壞，水侵入微結構間的空隙中，對應為Wenzel狀態(tài)，如圖1（d）。超疏水表面具有極低表面能和粗糙微結構2個特點，其制備主要通過2種途徑：1）在具有較高表面能的粗糙表面上進行低表面能物質的修飾；2）在低表面能壁面上構建微觀粗糙結構。目前，科研人員已發(fā)展出一系列制備方法，并將超疏水表面應用于水下減阻等研究領域[4,7]。

2 超疏水表面水下減阻研究現(xiàn)狀

2.1 國外研究現(xiàn)狀

超疏水表面減阻研究可追溯至上世紀末。1999年，Watanabe等[12]通過測量內壁涂覆疏水性氟烷烴的圓管和方管內的速度剖面與壓降，發(fā)現(xiàn)層流狀態(tài)時可減阻14%。隨后，Tretheway等[13]在超疏水微通道試驗中發(fā)現(xiàn)，在有減阻的超疏水壁面上存在明顯壁面滑移現(xiàn)象，滑移速度占主流速度10%，并認為壁面滑移是其減阻的主因。2004年，Min等[14]采用直接數(shù)值模擬方法（DNS），進一步研究了湍流條件下滑移對減阻的影響。結果發(fā)現(xiàn)，流向滑移會造成流場中渦量減小，阻力降低；但施加展向滑移時表現(xiàn)為增阻。可見，超疏水表面上產生的滑移效應是其減阻的主要成因。

在超疏水表面滑移流動機理研究方面，Rothstein等[15]在提取氣液界面輪廓基礎上（如圖2（a）所示），于2005年[16]采用micro-PIV技術，對Re＜1 000時超疏水微通道內層流流動進行了細致測試。結果發(fā)現(xiàn)，超疏水表面存在的氣液界面是產生滑移現(xiàn)象和減阻的主因；且在氣液界面中心處滑移速度可達主流平均速度的 60%，如圖 2（b）所示。2009年，Rothstein等[17]對湍流狀態(tài)下超疏水表面的模擬指出，超疏水表面存在的氣液界面能產生可觀滑移速度，最高可達主流平均速度的75%，最大預期減阻量達40%。2016年，Hokmabad等[18]通過測試超疏水表面有無氣膜時的流場特性，再次證實穩(wěn)定的氣液界面能產生壁面滑移現(xiàn)象。因此，保持穩(wěn)定的氣液界面是產生可觀滑移的前提條件。

圖2 超疏水表面氣液界面輪廓及速度測試結果 [15-16]Fig. 2 Air-water interface and velocity profile of the superhydrophobic surfaces

受流速、水壓等因素影響，超疏水表面的氣液界面容易失穩(wěn)、破壞。2006年，Truesdell等[19]測試了低雷諾數(shù)條件下（Re為1.5～75）超疏水矩形微槽型圓柱轉子附近的流場，發(fā)現(xiàn)當表面張力不足以阻止液體潤濕超疏水微槽時，氣液界面（Cassie狀態(tài)）會消失。2013年，Aljallis等[20]在超疏水平板拖曳水池試驗中發(fā)現(xiàn)，過渡狀態(tài)時（105＜ReL＜106），壁面上氣膜層可以存留，減阻約30%；但湍流狀態(tài)下（106＜ReL＜107），氣膜消失，阻力增大。Dilip等[21]在 2015年測試了不同壓強條件下超疏水表面氣液界面的形態(tài)和管道的壓降。結果顯示，負壓條件下，氣液界面會從凹坑中生長并外凸至流動剪切破壞，壓降先增加后趨于穩(wěn)定，呈現(xiàn)增阻（圖 3（a））；正壓條件下，氣液界面逐漸縮小，壓降先降低后增加，呈現(xiàn)減阻（圖 3（b））。2017年，Hokmabad等[22]利用高分辨率 PIV技術研究了不同狀態(tài)下超疏水微結構表面氣液界面的變化規(guī)律。測試發(fā)現(xiàn)，低雷諾數(shù)和過飽和狀態(tài)水有利于延長超疏水表面氣膜的壽命，而水中微粒的添加會降低其壽命，縮短幅度甚至高達 50%。由此可見，疏水表面的氣液界面受外界因素影響容易失穩(wěn)破壞，致使超疏水表面減阻降低甚至失效。

圖3 不同壓力條件下氣液界面形態(tài)及對應壓降變化[21]Fig. 3 Air-water interfacial state and corresponding pressure drop variation under different pressure conditions

2.2 國內研究現(xiàn)狀

1996年，田軍等[23]在國內最早開展了低表面能涂層水洞減阻試驗，并獲得超過18%的減阻量。隨后幾年里，他們又報道過數(shù)輪低表面能涂層減阻、降噪試驗。但該時期，鮮有其他學者的跟進研究報道。2006年，余永生等[24]通過層流狀態(tài)下超疏水表面阻力和邊界層測試發(fā)現(xiàn)，壁面存在氣膜的超疏水表面能減阻，并存在明顯滑移現(xiàn)象；而無氣膜的表面沒有減阻。這也說明超疏水表面的氣膜層是產生滑移的原因。2010年，姚朝暉等[25]利用碳納米管構建出具有微納二級結構的獨特超疏水表面，在長 140 mm的矩形截面槽道試驗中發(fā)現(xiàn)其層流減阻效果可達 36.3%。2013年，其進一步測試發(fā)現(xiàn)，該種超疏水表面的湍流減阻效果甚至優(yōu)于層流效果，減阻率高達 53.3%[26]。黃橋高等[27]基于水洞測試了涂覆疏水涂層航行器模型的阻力特性，最大獲得超過 20%的減阻率。2013年，宋保維等[28]在中船重工七〇二所完成的超疏水環(huán)帶減阻試驗突破了傳統(tǒng)管道實驗的尺度限制。結果同樣發(fā)現(xiàn)，多數(shù)超疏水涂層在低雷諾數(shù)時（Ren＜3.5×106）有減阻效果；而隨雷諾數(shù)增大，減阻迅速減弱，甚至增阻。2014年，宋東和Rothstein等[29]合作完成的超疏水微通道減阻試驗則進一步表明，當微結構平均尺度低于61 μm時，內壁處于Cassie狀態(tài)，減阻顯著；但微結構尺寸增大后，氣膜逐漸消失轉變?yōu)閃enzel狀態(tài)，減阻失效，再次證實微結構是影響氣膜穩(wěn)定性的重要因素。

在超疏水表面氣膜/氣液界面研究方面，解輝等[30]在2009年通過對納米通道內氣泡運動的分子動力學模擬發(fā)現(xiàn)，親水壁面上氣泡位于通道中間，超疏水壁面時氣泡則位于壁面附近。這從分子尺度證明，超疏水壁面有利于實現(xiàn)氣相附著。隨后盧思等[31]采用VOF方法，對通道內壁逸出氣泡的形成、生長及脫離進行了模擬，從連續(xù)介質尺度上表明，超疏水性有利于氣相在壁面上的鋪展和駐留。2014年，任峰等[32]在模擬湍流狀態(tài)下棋盤狀超疏水微結構上的氣體封存效果時發(fā)現(xiàn)，當Re＜ 15 000時氣體封存良好，但Re≥ 20 000后氣液界面開始破壞，水流進入微結構。2015年，北京大學段慧玲等[33]采用共聚焦顯微鏡，研究了不同壓力環(huán)境下靜水中的超疏水規(guī)則微結構內氣液界面的破壞模式，并提出抑制氣液界面的非對稱破壞能顯著提高其穩(wěn)定性，如圖4所示。

圖4 超疏水微結構內氣液界面的對稱（a-d）和非對稱（e-h）破壞形式[33]Fig. 4 Symmetric（a-d）and asymmetric（e-h）collapse of the air-water interface in superhydrophobic surfaces microstructure

同年，胡海豹等[34]在人工激發(fā)湍流狀態(tài)下，通過觀測超疏水表面氣膜和流場發(fā)現(xiàn)，水速低于1 m/s時表面能穩(wěn)定維持氣膜，并減弱湍流猝發(fā)強度；且水速為0.4 m/s對應減阻最佳，此時滑移長度可達18.3 μm，減阻約14.2%。

段慧玲團隊在2016年進一步研究了超疏水表面氣液界面不同浸潤狀態(tài)和影響因素，總結了氣液界面的演化機制[35]。

從上述報道來看，超疏水表面減阻有效性和氣液界面上的滑移現(xiàn)象已得到充分證實。同時，較高水速、壓強等條件下，氣膜消失和減阻失效問題也開始受到一些學者關注。因此，超疏水表面氣液界面穩(wěn)定維持問題亟待探索。

3 超疏水表面氣液界面穩(wěn)定維持技術總結

3.1 超疏水表面氣體補充技術

在超疏水表面氣體補充途徑方面，主要包括氣體注入、原位產氣、氣體溶解度調節(jié)等。其中，氣體注入是最為簡單和有效的方法。早在2000年，F(xiàn)ukuda等[36]就將人工通氣與超疏水表面結合，在模型船底部形成大面積氣膜，結果獲得超過 40%的減阻效果。2017年，胡海豹等[37]基于人工通氣的方法，實現(xiàn)了剪切流動下超疏水表面損失氣體的動態(tài)補充，結果顯示：當超疏水表面在水下恢復至Cassie狀態(tài)時，壁面渦量及剪切率低，測試所得最大滑移長度為21.43 μm，對應最大減阻量約20%。

原位產氣的思路較多。例如，Kim等[38]在2012年提出利用電解水的方法實現(xiàn)超疏水表面氣膜恢復的思路，在超疏水表面實現(xiàn)逆向潤濕并穩(wěn)定維持了其減阻效果。2014年，朱曉谷等[39]也通過在超疏水表面的凹坑狀微結構內放置微型電極，使得水在進入凹坑內發(fā)生電解并產生氣體，實現(xiàn)氣膜維持，如圖 5（a）所示。2016年，Saranadhi等[40]在泰勒-庫埃特流動中的超疏水轉子表面引入Leidenfrost效應以構筑氣膜，當實驗雷諾數(shù)處于26 100～52 000范圍時，結果獲得80%～90%的減阻率。Panchanathan等[41]在2018年提出利用過氧化氫催化分解產生的氧氣補充超疏水表面損失的氣體（如圖 5（b）所示），并在泰勒-庫埃特流動中觀測到超疏水表面氣膜的恢復。

氣體溶解度調節(jié)主要通過改變流場壓強實現(xiàn)，壓強降低使得氣體溶解度下降，流場中溶解的氣體得以析出。Verho等[42]在 2012年通過調節(jié)局部壓強實現(xiàn)了超疏水表面氣膜的恢復。Huynh等[43]研究了加減壓條件下超疏水表面氣膜的塌陷和生長過程。2017年，Ling等[44]通過實驗研究了壓強與水流對超疏水表面氣膜溶解的影響。實驗表明，減壓和通入氣體飽和水均能使得超疏水微結構內的氣體生長，且水流可提高氣體傳遞速率。

圖5 超疏水表面原位補氣方法Fig. 5 In situ method of air supply for superhydrophobic surfaces

3.2 超疏水表面微結構調控技術

研究發(fā)現(xiàn)，具有T形凹角微結構的跳蟲表面具有很強的疏水性和一定的疏油性[45]。受此啟發(fā)，Liu等[46]在親水平板表面加工出類似于跳蟲表面的微結構，結果發(fā)現(xiàn)該微結構的凸臺有利于氣液界面釘扎在微結構頂端并維持氣膜，實現(xiàn)Cassie狀態(tài)。Taghvaei等[47]將跳蟲表面微結構束縛思路進一步拓展，將材料微結構多極化，通過在微米結構內部構造納米結構，形成復合微結構表面，實現(xiàn)了固液接觸面積的降低和氣液界面穩(wěn)定性的提高。2014年，王寶等[48]也設計了具有特殊展向溝槽的超疏水表面，發(fā)現(xiàn)這種溝槽不僅可在剪切作用下最大限度地阻止氣體流失，還能產生微空泡現(xiàn)象對超疏水表面氣體進行補充，最終獲得15%的速度滑移。

為了實現(xiàn)大尺度氣膜的束縛，2016年，胡海豹等[49]通過構造親疏水相間表面形成潤濕階躍，產生約束固-氣-液三相接觸線移動的束縛力，實現(xiàn)了毫米尺度氣膜的封存。2017年，胡海豹等[50]在旋轉圓柱表面上利用潤濕階躍效應封存了亞毫米厚度的連續(xù)氣環(huán)層，在無外來氣體持續(xù)補充的條件下，該方法獲得最大 77.2%的減阻效果，且減阻率基本不隨測試雷諾數(shù)變化。如圖 6（a）所示，藍色灰色相間表面，藍色表示親水，灰色表示超疏水。胡海豹等[51]在 2018年通過分子動力學模擬方法進一步研究了潤濕梯度和壁面微結構對氣液界面潤濕及滑移行為的影響規(guī)律，并分析了潤濕階躍束縛氣膜的機理。

圖6 新型減阻表面構筑Fig. 6 New design of drag reduction surfaces

針對超疏水表面氣體溶解的問題，2016年，Hemeda等[52]提出了新的氣液界面封存思路，如圖6（b）所示。他們通過在微結構上部封存1層油膜，降低微結構底部氣體的溶解量，并形成氣-油-水三相接觸界面。理論分析表明，該種結構設置有利于氣液界面的穩(wěn)定維持，且三相復合界面的滑移長度隨油粘度的增加而逐漸增加。

4 結束語

超疏水表面減阻技術是一種具有廣闊應用前景的新型高效水下減阻方法。目前研究者已經得到了超疏水表面水下減阻規(guī)律，深入揭示了其內在減阻機理，但對超疏水表面存在的氣液界面失穩(wěn)破壞問題仍缺乏有效解決辦法，特別是湍流或高剪切流作用狀態(tài)下的氣膜維持問題。因此，未來應該在建立超疏水表面氣液界面穩(wěn)定性準則的基礎上，探索超疏水表面氣液界面長時穩(wěn)定維持途徑。潛在的技術突破途徑包括：1）氣體動態(tài)補充方式，如利用人工通氣、電解水、化學反應等補充氣體；2）拓撲結構優(yōu)化方式，如微觀結構調控、宏觀潤濕階躍構筑；3）更換穩(wěn)定減阻介質方式，如將氣體換為低粘液體以減少氣體溶解和擴散；4）多減阻原理耦合方式，如超疏水與規(guī)則溝槽或添加劑等其他減阻方法耦合。