探讨超疏水技术在水下航行器上的应用

顾长捷

(山西汾西重工有限责任公司，山西 太原 030012)

0 引言

1997 年，德国波恩大学的W. Barthlott 教授提出了“荷叶效应(lotus effect)”[1]，此后人们对超疏水表面的研究取得了突出的进展。通常将接触角小于10°的表面定义为超亲水性表面，将接触角小于90°的表面定义为亲水性表面，大于90°小于150°为疏水性表面，大于150°时则为超疏水表面[2]。荷叶超疏水特性是由其粗糙表面上的微米结构和乳突以及表面蜡状物的共同存在引起的，并且表面微米结构乳突上还存在着纳米结构[1, 3]。生物适应其生存环境所展现出的各种功能，是通过多因素耦合作用得以实现的，即生物体表面的不同形态、结构、材料等诸多耦元通过相互之间的耦合作用而使生物体表功能达到最优化、对环境适应最佳化和能量消耗最低化[4-5]。

超疏水涂层的制备既可以通过在基体表面构建微结构并采用低能物质进行修饰，也可以将适当的微结构直接构建在低表面能物质上[6]。目前，国内外超疏水涂层的制备方法主要有：相分离法、结晶化控制、化学气象沉积、溶液浸渍法、磁控射频法、等离子刻烛法、脉冲激光沉积、溶胶凝胶法、自组装技术、层层沉积技术、平板印刷法、电沉积法和电镀技术等。超疏水技术的研究除了具有理论价值以外，还具有重要的应用价值。材料表面的超疏水效应可以解决困扰水下航行器领域多年的航行阻力大、壳体受海洋生物侵蚀严重以及噪音高等问题。因超疏水涂层独特的物理和化学特性，超疏水技术受到了水下航行器研究的重视。本文主要介绍超疏水技术在水下航行器领域的应用研究现状。

1 超疏水技术在水下航行器的应用研究进展

1.1 超疏水技术在水下航行器减阻领域的应用

水下航行器在航行的过程中，水和壳体表面接触时会产生摩擦阻力，并且还会引起兴波阻力以及漩涡阻力等[7]。因此，降低水下航行器运行时所受到的各种阻力，可以显著提升航速，降低能耗，是一项重要的工程技术。水下航行器所受阻力主要分为：粘性阻力和非粘性阻力：前者包括形状阻力(压差阻力)和表面摩擦阻力；后者包括空化阻力(高速航行)和兴波阻力(处于流体表面)[7]。完全浸没流体的航行器，主要受到流体粘性阻力作用，即形状阻力和摩擦阻力，表示为[7]

(1)

式中：ρ0为流体密度；u0为流体速度；As为迎流面积；Aw为物体湿面积；Cd为形状阻力系数，在物体形状固定和一定流速(或雷诺数)范围内可视为常数；Cf为表面摩擦系数。

鸬鹚的羽毛微观结构具有整齐排列的微米或亚微米条形结构，使得水滴易于顺着条带方向向外侧滚离，具有定向排水的功能，该结构与生物有机物相结合实现了超疏水效应，可以降低鸬鹚在水中的阻力。研究工组者从鸬鹚等动物上汲取灵感，探究超疏水涂层对减阻的作用。经过研究发现：在层流状态下，超疏水涂层减少“附连水质量”和表面摩擦阻力系数Cf，降低阻力[7]。在湍流状态下，除上述效应外，超疏水涂层使湍流转捩点位置后移，减小湍流，延迟空化，进一步降低运行阻力[7]。此外，当水下航行器具有超疏水表面时，空气可以充满其表面壳体微观结构，在运行过程中水流主要从微结构间的空气层流过，液体与气体之间发生无剪切滑移，从而减小摩擦阻力[6]。

陈晓玲等[8-9]使用FLUENT 软件，对直径6 mm的超疏水圆管内湍流流动进行了数值模拟，模拟结果显示，当Re大于临界值时，超疏水管内湍流流动表现为减阻作用，反之则为增阻作用。基于已有壁面滑移理论研究基础，胡海豹课题组[9]采用直接修正壁面剪应力公式的方法，数值模拟了不同滑移条件下疏水通道的减阻作用。结果发现，层流状态下，疏水通道的滑移速度与减阻量成正比例关系，滑移速度越大，减阻量越大(图2)；而湍流状态下，壁面滑移使得近壁区湍动能和湍流耗散率明显低于无滑移表面，且滑移速度越大，湍流脉动越小，减阻效果也更显著(图3)[9]。

哈尔滨工程大学的张林研究员利用重力式低噪声水洞条件，采用鱼雷模型，进行了多次不同流速，有、无涂层情况下鱼雷模型的流噪声、压力脉动和壳体振动的测试，同时利用应变片测量流体阻力的变化。测试结果表明：疏水涂层在高流速下有减阻降噪效果，且随着流速的增加，效果越来越好，但在低流速下却增加了流体阻力和流噪声。Gogte等人[10]研究发现在层流条件下，超疏水表面至少能减少10%的摩擦阻力。汪家道等[9,11]通过在具有微结构的回转体模型(直径12 mm，长155 mm)表面喷涂聚四氟乙烯涂层实现了接触角超过120°的疏水性表面，并在微小型水洞中获得了最大约25%的减阻效果。Park等人[12]研究发现，在紊流条件下，超疏水表面比平滑表面的摩擦阻力减小甚至高达75%。Dong等人[13]发现，在高速行驶条件下，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]通过数值模拟研究了3种超疏水表面模型对减阻性能的影响，结果表明：对于形状简单瘦长的Wigley船型，最大减阻率可达到27.688%；而当在船中布置同样面积的超疏水表面时，其减阻效果最好，其次是船首，最后才是船尾。

无论从理论还是实验，超疏水的减阻效果都得到了证实。因此，超疏水对于水下航行器减阻具有重要的研究价值，其减阻机理也已初步明确，但仍存在大量问题有待揭示，如何研制化学性质稳定、粘附力强、环境适应性好的减阻涂层材料是超疏水技术在能否水下航行器领域工程化应用的关键点之一。

1.2 超疏水技术在水下航行器防生物污损领域的应用

水下航行器由于其服役特点，需要长期在水下潜伏和运行，服役期间航行器壳体表面接触到微生物、植物、动物等海洋生物。当海洋生物聚集并附着在表面时，对其会造成表面的污损，水下生物的附着侵蚀导致水下航行器过早失效，大大缩短了航行器的服役期限。此外，海洋微生物附着在航行器表面破坏了其流体线型，增大航行阻力，降低了水下航行器的快速机动能力。已报道的造成海洋污损的生物种类具有四千多种，并且容易生存在温度较稳定，水流通畅的港湾、江河入海口等。研究表明，当材料进入海水中时，由于静电、氢键、范德华力等的作用，基材表面在短时间内会聚集有机分子如多糖、蛋白、糖蛋白以及一些无机化合物，形成一个富含蛋白的基膜(Conditioning layer)。随后，海洋细菌和单细胞硅藻等微生物快速沉积在基膜上，通过分泌胞外多聚物(EPS)与基材表面进行粘结，形成生物膜[15]。这种生物膜的存在有利于更大尺寸生物的附着，最后形成复杂的生物附着层。图4展示了生物粘附的发展过程[16]。

海洋生物通过分泌粘液吸附在材料表面，在该过程中，粘液首先需要润湿固体表面。因此，润湿性决定了生物与表面之间的吸附情况，润湿性越好，越有利于生物的附着，附着强度大；若润湿性差，则情况相反。当水下航行器涂覆超疏水涂层后，可以显著降低海洋生物在其表面的附着力[17]，海洋生物易脱附，实现表面的自清洁。从图5可以看出，随着接触角的增大，附着的生物越少，因而，超疏水表面能够有效地减少生物的附着。

Brennan课题组[18]根据鲨鱼皮表面的防污原理,制备了类鲨鱼皮微结构的表面涂屋。在材料表面构建约15 μm的近菱形凸起,每7个平行凸起为一组。经测试,该涂层呈超疏水状态，对常见的海洋藻类和多种浮游生物具有优异的防污能力。Zhang[18-19]在硅基底材料表面构造/纳米级结构，该超疏水结构的粗糙度为2.7 μm，接触角为169°。通过对比发现，具存微结构的试样可以有效控制常见污损生物的附着,有着较强的防污能力。Becher[20]等人对比了光滑和微米结构超疏水表面的防污能力，结果显示：在相同条件下，有微结构的超疏水表面要比光滑表面具有更强的防污能力；在实海挂板实验一年后，光滑表面上附着了大量的微生物，而有微结构的超疏水表面仅有少量的微生物附着。

在材料表面构造微结构超疏水涂层在防污领域有着良好的应用前景,这种方法基于仿生原理,仿制生物防污表面的结构,最终能够达到理想的防污效果。超疏水技术不仅有广谱性和高效性,同时安全环保,对环境无污染,是未来水下航行器防污领域研究的新方向。

1.3 超疏水技术在水下航行器防腐蚀领域的应用研究

水下航行器的轻量化是其发展的重要方向，比强度高和比模量高的轻质镁铝合金收到了越来越多的关注。然而，轻质合金抗腐蚀性往往较差，容易受到海水的腐蚀，导致水下航行器因腐蚀失效。根据Cassie润湿模型可知[21]，超疏水表面的微结构能够捕获一定的气体，气体将液滴与航行器表面分离，液体不能填满材料表面的凹槽，有效地防止金属腐蚀，如图6所示。当水下航行器表面采用超疏水材料时，能够降低水与壳体表面的接触，从而有效预防或阻止海水对水下航行器表面的腐蚀。

范伟博[22]通过化学刻蚀法在AZ91镁合金表面制备了超疏水涂层，其接触角由35°增加至154°，在3.5wt%的NaCl溶液中，AZ91合金的腐蚀电位(V)由-1.48增加至-1.42，腐蚀电流密度(A·cm-2)由1.66×10-3降至4.99×10-4，经过超疏水工艺处理的AZ91合金试样的电位相比未处理试样有提高，且经过超疏水工艺处理的试样其腐蚀电流密度相比未处理试样的腐蚀电流密度有数量级的降低，说明超疏水涂层抑制了AZ91镁合金表面的腐蚀，合金耐腐蚀性能相比于未处理试样有了显著的提高。孙佳[23]使用化学复合镀的方法，对AZ31镁合金进行了超疏水处理，在3.5wt%的NaCl溶液中，AZ31合金的腐蚀电位(V)由-1.567增加至-1.455，腐蚀电流密度(A·cm-2)由4.45×10-4降至1.29×10-6，涂覆超疏水涂层后，AZ31合金的耐腐蚀性能提升显著。刘金丹[24]通过一步合成法在铝合金上制备出超疏水表面，其接触角高达171.9°，滚动角为6.2°。结果表明合金腐蚀性能得到提高，如图6所示。此外，刘金丹[24]等还通过激光加工结合化学刻蚀法在3005铝合金表面制备了超疏水涂层，并对涂覆超疏水涂层前后3005铝合金的腐蚀电位和腐蚀电流密度进行了对比。3005铝合金超疏水表面的腐蚀电位(V)为-0.968±0.02，高于裸露的铝合金-0.814±0.02，腐蚀电位的正向移动是由于铝合金表面的超疏水性涂层的防护性。超疏水涂层的腐蚀电流密度(1.66×10-5mA/cm2)比裸露的铝合金(6.3×10-4mA/cm2)减少了一个数量级。这主要是由于铝合金表面化学成分所改变的[24]。她认为超疏水表面由较大的凹槽和较小的孔洞组成，润湿状态呈现 Cassie 浸渍润湿状态，这些结构可轻易捕获空气，形成空气袋。空气袋和毛细血管力使得腐蚀介质很难接触铝合金基底进一步浸渍表面，因而获得了较好的耐腐蚀性。这些结果说明铝合金表面的超疏水涂层具有更好的耐腐蚀性[24]。连锋等人[25]在船用铝合金上构建超疏水表面，该表面符合Cassie状态，并且随着微结构间距增大其接触角减小，滚动角增大，耐海水腐蚀性能显著增强。当微结构间距为100 m时，其表面具有最大的接触角(157.8°)和最小的滚动角(0.57°)，并将腐蚀阻抗提高2个数量级[25]。

通过超疏水技术可以显著提升轻质铝镁合金的腐蚀电位并降低腐蚀电流密度，进而提升轻质合金的抗腐蚀能力，进而解决轻质镁铝合金抗腐蚀能力差这一限制水下航行器轻量化的瓶颈问题，提升水下航行器的综合性能，具有重要应用价值。

1.4 超疏水技术在水下航行器降噪领域的应用

未来水下航行器将向着高隐蔽性的方向发展。随着现代探测手段的日益提高和探测技术的不断发展，现代化扫猎技术陆续应用于实战装备，并对水下航行器的生存概率构成了巨大威胁。水下航行器的隐身技术主要是针对猎雷声呐、磁探仪以及红外成像探测等探测手段，是现代水下装备发展的一个重要方向。隐身技术包括减震降噪隐身技术和辐射噪音隐身技术。其中，降低螺旋桨工作产生的噪音是提升水下航行器隐身技术的关键。螺旋桨噪音主要分为以下4种：1)空泡噪音，螺旋桨转速达到一定程度，会导致桨叶局部压力降低，一旦低于水的汽化压力，产生空泡，空泡在叶面溃灭，产生内爆，会产生很大的噪音；2)伴流不均匀和斜流引起桨叶振动的噪音；3)螺旋桨后涡流噪音；4)雷体尾部反射来的噪声以及螺旋桨旋转引起的雷体振动噪音。

近年来，超疏水涂层技术对降低螺旋桨噪音的作用引起了研究工作者的关注。美国Bell实验室研制的硅材质纳米级针状紧密排列的超疏水表面制备的螺旋桨，接触角可以接近180°，其在层流区域可以减阻50%左右，噪音降低2～3 dB[7]。Gess等研究出的亲水涂层，通过浸泡于水中的过程吸收水分子使得原来的流一固接触面转化为流一流接触面，从而产生滑动，减小流阻，降低空泡噪音[7]。

此外，通过在水下航行器壳体材料表面制备超疏水涂层，可以直接影响其壁面剪切应力状态，使得边界层表面流速大于0，湍流转捩点后移，可以减小流体阻力和流噪声[2,6]。兰州物理化学研究所将一种超疏水涂层喷涂于一拖曳阵模型的一段上，并在这段拖曳阵模型内部粘贴2个B&KS103水听器,测试超疏水涂层对流噪声的影响。在8 m/s、6 m/s和4 m/s三个流速下，超疏水涂层都表现出能降低流噪声的效果，而且随着流速的增加，降噪效果变好[7]。此外，兰州化学物理研究所研制的低表面能涂层在宏观上对水筒中的平板模型具有减阻效果，在流速不到9 m/s时，可降低平板阻力18%～30%，该涂层对水筒中的鱼雷模型具有部分降噪效果，在某些流速，最大时可降低l0 dB[7]。

通过将超疏水涂层应用于航行器螺旋桨和壳体，降低其表面与流体界面的作用所产生的偶极子声源，减小边界层的“排挤厚度”，进而减小流体噪声能量，实现超疏水降噪效果，提升水下航行器的隐身性能，增加航行器的生存概率。

2 结束语

超疏水技术能有效的降低水下航行器航行阻力，提升其抗腐蚀和抗生物污损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机动、高可靠性和隐身能力，具有广阔的应用前景。然而，超疏水技术目前仍处于大量化工程应用的初步阶段，在微结构构建和宏观工艺实施环节均存在诸多技术难点，亟待进一步研究解决。

超疏水表面微结构构建环节的技术难点为构建特殊的微结构。目前以蚀刻方法为主，虽然表面粗糙程度可控但微结构形貌调控难度较大，尚不能完全达到通过构建材料表面特殊形貌实现材料表面超疏水特性的目的。随着3D打印技术的不断成熟，可以通过3D打印的方法制备微结构可控的表面，实现超疏水微观结构的精准调控。

超疏水技术宏观工艺应用的难点之一为提升超疏水涂层与基体的附着力。超疏水涂层中的低能涂料与基体之间仅靠范德华力相连，无强化学键连，涂层与基体附着力差，在涂层受到剐蹭等外力冲击时容易脱落，导致超疏水涂层失效。制备与基体存在化学键相连的高附着力超疏水涂层是加速推进超疏水技术工业应用的关键环节之一。

此外，多数超疏水涂层存在成本高昂、设备复杂、方法繁琐、条件苛刻和周期长等缺点，仍需继续深入研究超疏水机理，不断探索工艺简单、经济环保、使用周期长和性能稳定等的超疏水技术，为水下航行器功能涂层的发展提供重要的技术保障。