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仿沙垄舌形多层分形减阻微纳结构近年来，随着科学技术的不断发展，人们对于微纳结构的研究越来越深入。
微纳结构的设计和制备对于提高材料的性能和功能具有重要意义。
其中，减阻是一种常见的应用，它可以降低流体在固体表面运动时的摩擦阻力，从而提高流体的传输效率。
在过去的研究中，人们发现仿生结构可以在自然界中找到很多启示。
例如，沙垄表面的微小颗粒排列呈现出一种特殊的分形形态，这种形态可以有效地减小流体在沙垄表面的阻力。
受到这一启示，研究人员开始探索仿沙垄舌形多层分形减阻微纳结构。
该微纳结构的基本单元是由舌状结构组成的多层分形形态。
每一层的舌状结构都具有由微小颗粒构成的表面，这些颗粒排列成分形的形状。
通过层层叠加，形成了多层的分形结构。
这种结构的设计使得液体在微纳结构表面流动时，可以在不同的尺度上不断地分流和重新聚合，从而减小流体在结构表面的摩擦阻力。
为了制备这种仿沙垄舌形多层分形减阻微纳结构，研究人员采用了一种先进的制备技术，例如电子束光刻和电化学蚀刻等。
通过这些技术，可以精确地控制微纳结构的形貌和尺寸，从而实现结构的减阻效果。
实验结果表明，仿沙垄舌形多层分形减阻微纳结构具有良好的减阻性能。
相比于传统的平坦表面，该结构可以显著降低流体在结构表面的摩擦阻力。
这一特点对于提高流体传输效率具有重要意义，特别是在一些需要高速流动的应用中，例如微流控芯片和液体输送系统等。
仿沙垄舌形多层分形减阻微纳结构还具有其他一些优点。
例如，它可以增加结构表面的接触面积，从而提高传热效率。
仿沙垄舌形多层分形减阻微纳结构是一种具有潜力的微纳结构，它可以有效地降低流体在固体表面的摩擦阻力，提高流体的传输效率。
随着制备技术的进一步发展和优化，相信这种结构将在多个领域得到广泛的应用，为相关技术和产品的发展带来新的机遇和挑战。
《汽车列车形态仿生减阻特性研究》篇一一、引言随着科技的发展和人们对于节能减排的日益关注，汽车列车的减阻技术成为了研究的热点。
在汽车列车的设计中，减阻不仅可以提高其行驶的效率和舒适性，还能有效降低能源消耗和排放。
近年来，仿生学在汽车列车设计中的应用逐渐受到重视，通过仿生学原理研究生物体的形态结构，以实现减阻效果。
本文旨在研究汽车列车形态仿生减阻特性的相关内容，以期为汽车列车的优化设计提供理论依据。
二、仿生学在汽车列车减阻中的应用仿生学是借鉴生物体结构与功能原理，应用于工程技术的一种方法。
在汽车列车的设计中，通过仿生学原理，可以研究生物体的流线型形态、表面结构等，以实现减阻效果。
例如，鱼类在水中游动时，其流线型形态能够有效减少水流的阻力，从而获得更高的游动速度。
因此，可以借鉴鱼类的流线型形态，对汽车列车的形态进行优化设计。
三、汽车列车形态仿生减阻特性的研究方法1. 文献综述：通过查阅相关文献，了解国内外在汽车列车形态仿生减阻方面的研究现状，分析已有研究成果的优缺点。
2. 实验研究：通过实验测试不同形态汽车列车的减阻效果，对比分析其优劣。
实验可以采用风洞实验、道路实验等多种方法。
3. 数值模拟：利用计算机仿真技术，对汽车列车的流场进行数值模拟，分析其减阻机理。
4. 形态优化：根据实验和数值模拟的结果，对汽车列车的形态进行优化设计，以提高其减阻效果。
四、汽车列车形态仿生减阻特性的研究成果1. 流线型形态的优化：通过仿生学原理，研究发现流线型形态能够显著降低汽车列车的风阻。
在汽车列车的车身设计中，采用流线型形态能够有效减少空气阻力，提高行驶的稳定性和舒适性。
2. 表面结构的优化：借鉴生物体的表面结构，如鱼类皮肤的微结构，可以在汽车列车表面设计出具有减阻效果的微结构。
这些微结构能够破坏空气流的层流状态，使气流更好地贴合车身表面，从而减少阻力。
3. 动力学特性的改善：通过对汽车列车动力学特性的分析，发现仿生设计的汽车列车在行驶过程中能够更好地适应道路条件，减少因道路不平引起的振动和阻力。
壁面微结构流动控制技术的减阻机理研究李恩田;吉庆丰;庞明军【摘要】为了研究壁面微结构流动控制技术的减阻效应及其产生的原因,利用循环管路系统的方形管道进行了压降测定试验,并利用粒子成像测速仪测量了边界层内部结构和对应的参数.试验采用了沟槽和肋条两种不同类型的微结构壁面,每种形状的微结构各有3种不同的结构尺寸.试验研究结果表明:在一定的无量纲宽度s+范围内,6种不同的微结构壁面都具有减阻效果;减阻率随着s+的增大,呈现先增大后减小的趋势,其中沟槽壁面2的减阻效果最好,最大减阻率为9.90％;壁面微结构通过影响流场内部的涡结构、湍流脉动、雷诺切应力和平均流速等使得不同壁面微结构具有减阻效果.【期刊名称】《水利学报》【年(卷),期】2018(049)006【总页数】8页(P767-774)【关键词】流动控制;壁面微结构;减阻率;雷诺应力;湍流脉动强度【作者】李恩田;吉庆丰;庞明军【作者单位】扬州大学水利与能源动力工程学院,江苏扬州225127;常州大学石油工程学院,江苏常州213016;扬州大学水利与能源动力工程学院,江苏扬州225127;常州大学石油工程学院,江苏常州213016【正文语种】中文【中图分类】O357.51 研究背景流动控制技术是被动或主动采用某种装置使得壁面有界流动或自由剪切流动获得有益的改变，这些有益的改变包括减阻、增升、混合增强和流噪声抑制。
壁面微结构减阻技术研究是近壁面湍流流动控制技术研究领域的一个重要组成部分，此项技术研究起步于上世纪30年代初，60年代中后期具有成效的研究工作普遍展开。
Bechert等［1-3］对不同断面形状的壁面微结构做了大量试验，得到了相似的结论，V形微沟槽的减阻效果最好，当沟槽的高度h和间距s的无量纲尺寸分别为h+≤25和s+≤30时具有减阻特性，当h+=s+=15时减阻率最大，最大减阻率为8%。
国内王晋军等［4-6］通过利用LDV、PIV流动测试技术发现：微结构壁面湍流边界层内部湍流强度减弱，并且边界层厚度增厚。
仿生鲨鱼皮复合微纳减风阻结构的仿真与制备
徐征;刘日;王天昊;迟振东;王作斌;李理
【期刊名称】《实验流体力学》
【年(卷),期】2024(38)2
【摘要】仿生学与减阻技术的结合,为减阻开辟了重要的研究方向,在航空航天领域有着潜在的发展与应用前景。
为提高降低风阻效果,本文对复合微纳减风阻结构进行了研究,基于仿生学原理,采用CFD仿真及激光微纳制造技术,建立了减阻结构组合模型,并在飞行器的大气传感器半球头体模型表面制造仿生鲨鱼皮复合微纳结构,即在仿生鲨鱼皮鳞片结构的基础上,通过激光干涉扫描二级微沟槽,以进一步提升减阻效果。
采用CFD仿真与风洞实验相结合的方式,对减阻机理进行理论分析,完成了复合结构的微纳制造,减阻率最高可达10.3%。
【总页数】8页(P107-114)
【作者】徐征;刘日;王天昊;迟振东;王作斌;李理
【作者单位】长春理工大学国家纳米操纵与制造国际联合研究中心
【正文语种】中文
【中图分类】O357.5
【相关文献】
1.带有减阻增稳仿生结构的车辆空气动力学特性仿真研究
2.仿生鲨鱼皮滚压成型表面减阻数值模拟研究
3.钛表面阳极氧化制备仿生化的微纳复合结构
4.离心泵仿生
微结构叶片减阻特性的仿真研究5.沟槽型微纳复合结构表面的制备与减阻性能研究
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仿生非光滑表面管道的设计及有限元分析钟佩思;赵晓贺;倪伟;杨凯歌【摘要】仿生非光滑表面的减阻作用由于其在工程中的应用价值而被广泛关注.为了减小油气管道运输摩擦阻力损失,将蚯蚓体表的生物学特征引入管道中,设计了凸包型、凹包型2种非光滑壁面管道.结合理论分析、仿真模拟两种手段研究了仿生管道的高性能机理.通过对比仿生管道与普通管道内流体的流动特性,得到了性能最高的非光滑结构:凸包非光滑内壁管道.该管道相对于普通光滑管道,具有更高的减阻率,运输能量更强,流速更高,可为运输管道仿生减阻的深入分析提供参考.【期刊名称】《液压与气动》【年(卷),期】2019(000)007【总页数】6页(P70-75)【关键词】仿生;非光滑表面;减阻;管道;有限元分析【作者】钟佩思;赵晓贺;倪伟;杨凯歌【作者单位】山东科技大学先进制造技术研究中心,山东青岛266590;山东科技大学先进制造技术研究中心,山东青岛266590;山东科技大学先进制造技术研究中心,山东青岛266590;山东科技大学先进制造技术研究中心,山东青岛266590【正文语种】中文【中图分类】TH137;TE832引言管道运输是油气等能源运输的主要方式，管道运输中80%以上的能量损耗都在表面摩擦阻力上[1]。
因此减少摩擦阻力损失，一直是储运研究者们关心的问题。
传统的减阻方法使管道表面更加光滑，但由于技术水平的限制，提高管道内壁的光滑度是有限的。
与此同时，生活在土壤中，皮肤像砂纸一样的蚯蚓可以在土壤中快速移动。
这一现象表明：以减小表面粗糙度来减小表面阻力的方法是存在问题的。
任露泉等对蚯蚓体表柔性及其防粘特性进行了分析，认为蚯蚓体表能产生非光滑效应，有利于在土壤中穿梭。
基于此，根据仿生学原理，研究了蚯蚓体表特征及其减阻机理，将蚯蚓的生物学特性应用于管道中，设计了凸包非光滑壁面、凹包非光滑壁面两组仿生管道[2]。
利用三维数字化软件进行建模，并通过有限元分析软件，对设计的仿生管道与普通管道对比分析，研究其内部流场运动状况，分析其减阻性能，研究非光滑壁面对管道减阻性能的分析及影响。
仿生柔性非光滑表面减粘降阻的试验研究王云鹏 任露泉 杨晓东 李建桥【摘要】对绒布、帆布、钢布、尼龙布、钢链等仿生柔性非光滑表面与田鼠毛皮、45钢进行了法向粘附力和滑动阻力的对比试验。
结果表明,在同样条件下,仿生柔性非光滑表面的粘附力是45钢的16%～40%,滑动阻力是45钢的30%～50%,具有十分明显的减粘降阻效果,为仿生柔性非光滑表面在工程技术上的应用开发创造了条件。
叙词： 柔性 非光滑 仿生 试验EXPERIMENTAL STUDY ON THE ADHESION-DECREASING AND RESISTANCE-REDUCING CHARACTERISTICS OF BIONIC MATERIALS WITH FLEXIBLE AND UNSMOOTHED SURFACESWang Yunpeng Ren Luquan Yang Xiaodong Li Jianqiao(Jilin University of Technology)AbstractBased on the results of computer-simulation and optimization, thefield-mouse fur, flannelette, canvas and bionics materials with flexible and unsmoothed surfaces consisting of steel chains, steel cloth and nylon cloth are prepared as test materials in the paper. The soil adhesion and sliding resistance of the above surfaces were measured and compared with those of conventional material (45# steel) surface. The results show that the adhesive force of the bionics flexible unsmoothed surfaces are 16%～40% of that of 45# steel, and the sliding resistance of them are 30%～50% of that of 45# steel under the same conditions. The analysis of mechanism shows that the relative rotation or movement between the unsmoothed structure units lightened the pressure of soil to the flexible surfaces and decreased the successive contact time between them effectively. The synthetical actions make the bionics materials with flexible and unsmoothed surfaces have the capability of reducing adhesion and sliding resistance. This indicates that the unsmoothed bionics surfaces have better property of reducing adhesion and resistance, which lays the foundation of developing the bionics technologies of flexible unsmoothed surfaces.Key words Flexibility, Unsmoothness, Bionics, Test引言研究表明：土壤动物，特别是生存在粘湿土壤中的动物，因长期与土壤环境的物质、能量及信息交换，形成了稳固的适应系统，体表具有不粘土功能［1～5］。
仿生结构化船体表面减阻性能分析随着科学技术的不断发展，航行工业对船体表面的修整和设计变得越来越精细，仿生结构化船体成为了研究的热门话题。
仿生结构化船体的表面设计灵感来源于自然界中一些具有优异水动力性能的动物，如海豚和鲨鱼等。
仿生结构化船体的表面设计和制造可以显著降低船体的阻力，提高船体运动的效率和能源利用效率，从而具有广阔的发展前景。
本文将从仿生结构化船体的概念入手，通过对其表面结构设计的分析及仿真研究，探讨仿生结构化船体在航行过程中的减阻性能。
一、仿生结构化船体的概念仿生学是一门从生物学中汲取灵感，开发新技术的学科。
仿生结构化船体即是利用仿生学的原理，实现船体表面结构的改变，从而达到减阻的目的。
仿生结构化船体是在仿生学理论的指导下，运用计算机辅助设计软件对船体表面进行细致和复杂的设计、计算和制造的。
仿生结构化船体的表面构造是受到在走廊水域中行动的动物生理结构的启发所设计的。
因此，在表面几何结构，纹路和质地方面采用了仿生学中的结构化原理，形成了类似于鲨鱼鳞片的结构。
二、仿生结构化船体表面设计分析1.表面结构设计仿生结构化船体的表面结构采用一系列互相交汇、形成凸起和凹陷的小鳞片状的结构，通过将散布在表面不同位置的小鳞片状结构纵向组合成列，横向相间，形成一个逐渐上下凸起的表面。
鳞片长度和宽度的比例是根据流动条件和船体速度来进行选择的。
2.表面几何结构设计仿生结构化船体表面结构采用鲨鱼鳞片的界面形态，使流体在鳞片表面产生的微小涡旋相互作用，达到减小流体对表面粘附的效果，减轻表面流体附着的阻力，等效于降低表面摩擦阻力。
同时，仿生结构化船体表面鳞片的凸起与凹陷结构布置，同样对流体分离所产生的反压进行修正，降低流体分离引入的波阻。
采用仿生结构化船体的设计，能够显著减小船体的湍流阻力和粘滞阻力。
三、仿生结构化船体表面减阻性能分析采用仿生结构体概念设计的船体能够降低湍流阻力和粘滞阻力，从而提高船体的运动效率。
同时，仿生结构化船体表面的设计可使流体在船体表面流动更为顺畅，减少了流体分离所造成的反压，从而有效降低了船体行驶，特别是在高速运动状态下所需的动能和燃料消耗，达到减少船体运行时对环境的侵害，降低航行费用等许多好处。
《仿生超疏水纳米材料-聚氨酯涂层的研究》篇一仿生超疏水纳米材料-聚氨酯涂层的研究一、引言随着科技的不断进步，材料科学领域的研究日益深入，其中仿生超疏水材料因其独特的表面性能和广泛的应用前景，受到了广泛的关注。
仿生超疏水材料模仿自然界中生物的疏水特性，如荷叶表面的自清洁效应，这种材料不仅具有优异的防水性能，还能应用于防污、防腐蚀、防冰等多个领域。
近年来，纳米技术与聚氨酯涂层的结合，为仿生超疏水材料的研究提供了新的方向。
本文将重点探讨仿生超疏水纳米材料/聚氨酯涂层的研究进展、制备方法、性能及其应用前景。
二、仿生超疏水纳米材料的制备方法仿生超疏水纳米材料的制备主要依赖于纳米技术和表面工程。
首先，通过纳米技术制备出具有特定形貌和结构的纳米粒子，如纳米管、纳米线等。
其次，利用表面工程对纳米粒子进行表面改性，使其具有低表面能，从而实现超疏水性能。
此外，还可以通过模板法、溶胶-凝胶法、化学气相沉积法等方法制备仿生超疏水纳米材料。
三、聚氨酯涂层的优势与应用聚氨酯涂层因其优异的耐磨性、耐候性、抗冲击性等特性，在众多领域得到广泛应用。
将仿生超疏水纳米材料与聚氨酯涂层相结合，可以进一步提高涂层的性能。
聚氨酯涂层具有良好的附着力和柔韧性，能够有效地将纳米粒子固定在基材表面，形成稳定的超疏水层。
此外，聚氨酯涂层还具有优异的耐化学腐蚀性能和抗污染性能，使其在恶劣环境下仍能保持良好的超疏水性能。
四、仿生超疏水纳米材料/聚氨酯涂层的制备与性能仿生超疏水纳米材料/聚氨酯涂层的制备主要涉及纳米粒子的制备、表面改性以及与聚氨酯涂层的复合。
首先，通过适当的制备方法得到具有特定形貌和结构的纳米粒子。
然后，对纳米粒子进行表面改性，降低其表面能。
最后，将改性后的纳米粒子与聚氨酯涂层进行复合，形成具有超疏水性能的涂层。
该涂层具有优异的防水、防污、防腐蚀和防冰性能。
在防水方面，超疏水涂层能使水滴迅速滚落，防止水分渗透到基材内部。
在防污方面，超疏水涂层具有自清洁效应，能有效地抵抗污垢和油脂的附着。
超疏水表面滑移理论及其减阻应用研究进展王新亮;狄勤丰;张任良;顾春元【摘要】减阻技术对提高原油采收率、降低液体流动阻力具有十分重要的意义.通过论述超疏水表面结构的基本理论、超疏水表面形成的主要影响因素和近年来仿生超疏水表面的制各方法,综合分析了超疏水表面滑移理论和基于这一理论的减阻技术的研究进展,并简单介绍了其存石油储层微孔道纳米降压减阻方面的应用,展望了超疏水表面滑移理论及其减阻技术的研究重点及应用前景.【期刊名称】《力学进展》【年(卷),期】2010(040)003【总页数】9页(P241-249)【关键词】超疏水;润湿性;表面滑移;减阻;纳米颗粒吸附法【作者】王新亮;狄勤丰;张任良;顾春元【作者单位】【正文语种】中文近年来,随着扫描电子显微镜 (scanning electron microscope,SEM)的出现,人们观察到了荷叶的表面微结构,研究表明,正是由于这种微结构的存在,使得荷叶具有良好的超疏水和自清洁效应[1].Barthlott等[2]把荷叶的这种行为称之为“荷叶效应”.Cottin等[3]研究发现,具有类荷叶表面的这种微纳米结构的超疏水表面可以明显降低流动的阻力,越来越多的实验和模拟结果表明具有微结构的超疏水表面可以出现明显的滑移现象.Choi等[4]通过实验研究发现,当他们制备的“纳米草皮”表面表现为超疏水性时,滑移长度能够达到几十微米.Li等[5]利用分子动力学模拟表明,当表面的微结构高度达到微米量级时,滑移长度接近50µm.基于超疏水表面的疏水性和滑移效应,人工制备的超疏水表面在工业生产和人们的日常生活中的应用越来越广泛.例如,汽车挡风玻璃、建筑物的门窗、天线表面的防雪防雨[6]、水下航行器表面减阻[7]、石油储层微孔道的表面改性及注水阻力降低技术等[8∼10].本文主要对超疏水表面的物理基础、相关润湿性理论、仿生超疏水表面、表面滑移理论及与之相关的减阻技术的研究进展作一较详细的综述与分析,并对其在石油降压增注中的应用进行简单描述.通常所说的超疏水表面是指接触角大于150◦、滚动角小于10◦ 的表面.Young[11]给出了光滑表面的关系式式中,θY表示该光滑表面的本征接触角;γsv,γsl和γlv分别代表固/气、固/液和液/气之间的表面张力.从上式可以看出,只要知道三相之间的表面张力,就可以求出表面接触角.但是平面是一种非常特殊的接触面,绝大多数接触面都是非平面的情况.Wenzel[12]针对具有一定粗糙度的表面,引进了表面粗糙度因子r并提出如下修正后的关系式式中,θW表示 Wenzel模型下表面的表观接触角;粗糙度因子r定义为固体表面的真实接触面积与表观接触面积之比.由于粗糙度因子r总是大于1,因此对于疏水表面 (接触角大于90◦)来说,粗糙表面的接触角总是大于同样情况下光滑表面的接触角.对于由空气和固体材料组成的复合表面,Cassie和Baxter[13]提出这里,θc表示 C-B模型下表面的表观接触角;ϕs表示固/液界面的面积分数.从上式中可以看出,粗糙表面的表观接触角随着固/液接触面的减少而增加,图1为3种接触角模型.Onda等[14,15]研究了不规则的分形结构,并给出了如下的接触角计算公式式中,θf表示不规则分形结构下表面的表观接触角;(L/l)D−2表示表面粗糙因子;L和l分别表示具有分形结构表面的上限和下限尺度;D是分形维.通过变换粗糙因子r=(L/l)D−2,上式可以写成如下形式上式描述了具有分形结构粗糙表面的接触角和光滑表面的接触角之间的关系.图2是Barthlott[2]用SEM观测到的荷叶表面.从图中可以清晰的看到荷叶表面的双层结构,即微米级的乳突和纳米级的蜡晶,正是这种微纳米结构增强了表面粗糙度,从而构成了荷叶表面的超疏水和自清洁特性[1].测试结果表明,新鲜荷叶表面接触角可达160◦,而滚动角只有2◦左右.Cheng等[16]通过实验分别对新鲜的荷叶、干燥的荷叶和经过焙烧的荷叶表面进行了观测,结果显示加热到150◦之后,荷叶表面的微纳米双层结构消失,同时此时的荷叶不再具有超疏水性能和自清洁效应,这就从实验的角度验证了,正是由于表面的微纳米双层结构,才使荷叶表现出超疏水和自清洁性能.Gao等[17]和Autumn等[18]分别发现了水黾腿部和壁虎脚上同样具有微纳米复合结构,并且具有超疏水特性.Marmur[19]分析了以抛物状假设的乳突以及相互之间的距离与产生超疏水表面的关系.结果表明,荷叶的这种双重微纳米结构使得液滴不容易侵入微结构,乳突之间的距离与形状非常有利于产生超疏水表面.李鼎[20]研究了以均匀球形颗粒修饰表面的润湿状况,并提出了形成复合表面的临界覆盖率计算公式式中,θs表示基底的接触角,θp表面纳米颗粒的接触角,∆P为液体和气体的压强差,γlv表示气液间表面张力,rp表示球形颗粒的半径.Patankar[21]认为表面从复合润湿状态向完全润湿状态转变时,表观接触角变化越小就说明该表面越稳定,适当调整微结构之间的距离可以得到理想的稳定的超疏水表面.Extrand[22,23]和 Gao等[24]研究发现决定表面润湿性的是三相接触线而非接触面.Extrand[22,23]提出只有满足接触线密度大于临界接触线密度,同时粗糙高度大于临界粗糙高度时,才可能产生超疏水表面.任露泉等[25]根据典型植物表面性能建立了理想疏水表面的数学模型,并对它们的性能进行了研究.Masashi等[26]通过对不同粗糙度表面润湿角的观测,讨论了超疏水表面上表面粗糙度对润湿角的影响,提出了液滴是否侵入微结构是影响接触角滞后的一个重要因素.Gao等[27]分别从动力学和热力学角度进行分析,通过对仅具有微米级结构和同时具有微、纳米结构的表面对比发现,微纳米双重结构可以明显的减少接触角滞后现象.滚动角大小可以导致不同的亲润性能.Neinhuis和 Barthlott[28]的调查结果显示有很多植物的表面虽然具有很大的接触角,但是由于它们的滚动角也很大,因此它们不具有疏水性能.Johnson和Dettre[29]研究了前进角和后退角与粗糙度的关系,发现增加接触面的粗糙度不仅可以使接触角变大,而且还可以减小接触角滞后现象,从而进一步增加接触面的疏水性能.Furmidge[30]从前进角和后退角方面提出了如下关系式式中,α为表面滚动角,m和w分别表示液滴的质量和半径,θR和θA分别表示液滴在表面上的后退角和前进角.从式中可以看出滚动角的大小不仅仅和后退角、前进角有关系,还与液滴的大小、半径和表面张力有关.Extrand等[31,32]通过对不同液体在不同表面的流动参数测量,对接触角滞后现象进行了研究,并提出表面化学性能对接触角的影响强于表面粗糙度的影响.人们一般通过在疏水材料 (接触角大于90◦)表面构建粗糙结构和在粗糙表面上修饰低表面能的物质来制备超疏水表面.研究发现,自然界所有物质中含氟材料的表面能最低,当聚合物中单体含氟量大于5%时,膜的表面已具备了良好的疏水性能,与水的静态接触角一般都能大于110◦[33].然而,通过实验研究表明:即使采用最低表面能的氟硅烷单分子自组装修饰的光滑表面的接触角也不会超过120◦.根据 Wenzel和Cassie模型,增加表面粗糙度可以使原来疏水的表面更加疏水,于是人们研究了多种方法来制备仿生超疏水表面,例如嵌段共聚物的微相分离法、溶胶-凝胶法、激光刻蚀法、溶剂挥发法、模板法、升华法、熔融烷基正乙烯酮二聚体 (AKD,一种石蜡)的固化,聚四氟乙烯(PTFE)存在时聚丙烯(PP)的等离子体聚合 (或刻蚀)、微波等离子体增强化学气相沉积法(MWPE-CVD)、阳极氧化法等[34].这里简单介绍几种制备仿生超疏水表面的方法.Nakajami等[35]研发了一种可以增强表面超疏水性能的透明薄膜.结果显示:这些薄膜的表面接触角从148.1◦±1.70◦(TiO2含量的质量百分比为 0%)到155.6◦±1.0◦(TiO2含量的质量百分比为71%)不等,表面接触角随着TiO2含量的增加而增加.Erbil等[36]通过实验,分别研究了聚合物浓度、形成薄片时的温度对表面均匀性、表面粗糙度以及与水接触角的影响,结果显示:经处理后粗糙的聚丙烯表面接触角可以达到149◦.实验还研究了甲乙酮、环己酮和异丙醇作为沉淀剂的情况,其中甲乙酮表现出很好的均匀性和很高的表面接触角(160◦).Li等[37]通过高温热解金属酞菁法得到碳纳米管层,真空干燥,并先后用强酸和十七氟癸基三甲氧基硅烷修饰制备了具有“超双疏”性能的碳纳米管.测试结果显示,该表面同时具有疏水和疏油性质,与水和油的表面接触角都超过了160◦.Liu等[38]通过新鲜荷叶和聚二甲基硅氧烷烘烤制成刻板,用软光刻技术仿制出具有超疏水性能的表面,其接触角可以达到154.6◦.Feng等[39]把聚丙烯睛、二甲基酰胺和去离子水混合液倒入有聚四氟乙烯涂层的阳极氧化铝基板,固化成形并真空干燥,得到的表面的接触角可以达到173.8◦± 1.3◦.Feng等[40]首次通过用两性分子聚合物合成了超疏水表面.他们把聚乙烯醇溶解在脱氢去离子水中充分搅拌,用Na2SO4作为固化剂,在氧化铝薄膜基板上合成纳米结构表面.结果显示,该疏水表面的接触角达到171.2◦.通过把聚四氟乙烯、聚乙烯醇、多乙酸乙烯酯、十二烷基苯磺酸钠和蒸馏水组成的混合乳液均匀洒在孔径为30∼420mm的不锈钢网格上,350◦干燥成型,得到了与水接触角超过150◦、与柴油接触角接近0◦的表面,这种方法制得的表面可以方便地进行油水分离[40,41].把聚丙烯腈纳米纤维薄膜在220◦空气中通过环化反应,接着在900◦氮气中干馏成型,首次合成了在全pH范围内都表现为超疏水特性的表面[42].Zhao等[43]利用溶剂诱导结晶法,通过聚碳酸脂溶剂制备出类似荷叶结构的超疏水表面,结果表明,光滑的聚碳酸脂板的接触角为79◦,表面覆盖一层丙酮后,出现100∼200nm的乳突,接触角为130.0±5.9◦,利用“模板滚压法” 后得到28.3±2.1nm的乳突,接触角为145◦,在覆盖丙酮并加入凝结剂后得到接触角为159.7± 1.1◦、滚动角仅为6± 1◦的表面.Shibuichi等[44]用阳极氧化法得到表面粗糙的氧化铝基材,用氟化单烷基磷酸酯进行处理后,得到的表面与菜籽油的接触角达150◦,同时与水的接触角达170◦,具有超双疏性能.徐建海等[45]分别用溶液法和热压法在阳极氧化铝基板上制备出具有微纳米结构的聚苯乙烯超疏水表面,并对表面结构、制备方法和制备材料对表面润湿性能的影响进行了研究.Saison等[46]用高温纳米刻痕法在硅凝胶薄膜上成功复制出类似蝴蝶翅膀和荷叶表面的纳米结构,测量结果发现:该薄膜的接触角可达160◦,在200◦C∼ 500◦C 之间退火处理后,可以实现从超疏水到超亲水的转换.Bico等[47]根据超疏水的纳米结构表面特征,分别制备出凹坑状纳米表面、条纹纳米表面和锯齿状纳米表面.研究结果表明:锯齿状表面由于其固/液接触面最小,表现出最好的疏水性能,其表面接触角为167◦,具有超疏水性能.段辉等[48]在醇溶性氟树脂溶液中,以正硅酸乙酯和甲基三乙基硅烷为前驱体,并掺杂聚四氟乙烯,以两步催化溶胶-凝胶法,制备了有机 -无机复合涂层,测量得到的接触角可达155◦,具有较强的超疏水性能.尽管已有越来越多的文献报道出各种超疏水表面的合成方法,但是面临的实际问题还比较多.比如采用高粗糙度表面会降低材料的透明性,因此不能满足对透明度要求较高的场合.另外,合成表面的机械强度、低分散性、老化性能等的研究还远远不够[45,49].普通的固体表面由于其较强的残余化学键,表现出很高的表面能,对流体分子具有很强的吸附力,一般很难产生滑移[50].超疏水表面之所以表现出超强的疏水性能,一方面是由于固体表面的粗糙度造成的,而另一方面则是超低表面自由能所引起的[33].因此,对于超疏水表面,固体表面分子与液体分子间的吸引力很容易被流体流动所带来的剪切力平衡掉,从而更容易在固体表面形成速度滑移[50].Lauga等[51]对固体表面粗糙度、纳米气泡、润湿性、剪切率等因素进行了全面的分析与总结,他指出:根据尺度的大小,固体表面粗糙度和表面形态既可以增加滑移也可以减小滑移;改变固体表面的润湿性可以产生不同的滑移长度,并且随着疏水性的增加,滑移长度也在增加.大量研究表明:固/液界面间的纳米气层是产生较大滑移长度的主要原因;无论是固体表面粗糙度、润湿性还是剪切率对滑移的影响本质上都是固/液表面分子间作用的结果.Pit等[52]通过实验研究发现,随着液体分子与固体表面分子间相互作用力的减小,表现出的滑移效应越来越明显.超疏水表面的一个突出的性质是滑移效应的出现,这一点已被广泛认可[3∼5,52∼58],但是目前对产生滑移的原因还存在着各种解释.Zhao等[59]通过水槽和水洞实验,研究了超疏水表面在不同流动条件下的减阻特性.Tretheway等[60,61]利用粒子成像测速技术 (PIV)观测流体流经30µm×300µm的微管中的速度剖面,结果显示:当管壁为亲水表面时,速度符合无滑移边界,但是当在管壁上覆盖一层2.3nm厚的OTS涂层(十八烷基三氯硅烷)后,管壁变为疏水,这时产生明显的速度滑移,计算得到的滑移长度为0.92µm,并且提出了以纳米气泡或者表面低密度流体层引起疏水表面产生滑移的机理.Tyrell等[56]通过原子力显微镜观测到超疏水表面不规则地排列着半径为100nm,高度为20∼30nm的纳米气泡,而这些气泡的稳定性与气泡的形态、形成时间有关.Lum等[62]认为一定的气隙或者气层是疏水表面产生滑移的原因.Choi等[4]考察了流体流过疏水表面的滑移情况,在疏水表面上,测得滑移长度与剪切率成正比,在剪切率为105s−1时,滑移长度约为30nm.他们还通过实验的方法[58,63]观测到在经表面粗糙处理的3µm的微管中,可以产生100nm∼200nm的滑移长度.Zhu等[64]考察了表面粗糙度和液体表面分子相互作用力对边界条件的影响关系,在表面同为疏水的情况下,根据无滑移边界,表面临界剪切率随着粗糙度的增加成指数增长,在光滑情况下,分子间作用力起主要作用;在粗糙情况下,粗糙度起主要作用.纳米效应的滑移理论分为表观滑移理论和气液复合滑移理论.由于滑移速度的产生,在同样的压差下,有滑移的管道的流量必然大于无滑移速度的流量,Lauga[51]提出式中,R为管道半径,Qslip和Qnon-slip分别代表存在滑移速度的流量和没有滑移速度的流量,δ为滑移长度.实验研究表明,对于光滑表面,滑移长度一般在几百纳米左右.Barrat等[53,54]和Voronov等[65]分别用分子动力学模拟的方法得到了接触角与滑移长度的关系.Barrat等[54]发现在接触角为140◦的微管表面,计算出的滑移长度达到30个分子直径.顾春元[9]和李鼎[20]根据 Knudsen数 (系统中分子的平均自由程和系统尺寸的比值)的大小估算出当系统尺度在微米以上时,厚度为1µm的气层可以产生54µm的滑移长度,而当系统尺度小到纳米级别时,估算出的滑移长度约为7µm.李鼎[20]根据平均阻尼系数方法,给出了球形颗粒修饰表面的滑移长度表达式式中,dp为颗粒直径,R为颗粒覆盖率,δs和δv分别表示固/液界面和气/液界面的滑移长度.顾春元[9]以单层吸附为假设建立了纳米颗粒吸附微管道的滑移模型,推导出如下滑移长度表达式式中,r0为微管的内半径,q为单管流量,dp为纳米颗粒的粒径,▽p为微管两端压力梯度,µ为流体黏度.吸附了疏水纳米颗粒的微孔道上表现出明显的滑移特性,这就相当于增加了微孔道的有效半径,从而增加注水量,降低微孔道两端的注水压力,这就是疏水纳米颗粒吸附法降压减阻的基本思想.近年来,随着疏水表面滑移效应的发现,人们开始重视研究基于疏水表面滑移效应所产生的减阻新技术.田军等[66]研究了以改性硅橡胶、聚氨脂树脂为主的低表面能涂层在平板上的减阻性能,结果表明,有涂层下平板的阻力比无涂层下降低18%∼30%.Watanabe等[67]研究了内壁覆盖氟烷烃改性的丙烯酸树脂条纹的超疏水圆管的减阻性能,实测的压强-速度剖面曲线表明,当雷诺数为500∼10000时,阻力下降达14%,对应的滑移长度达450µm.Bechert等[68]受到鲨鱼表皮三维肋条结构的减阻性能的启发,从实验出发研究了具有类似结构的新型机翼表面的减阻性能,结果表明这种表面比光滑的机翼表面剪应力降低 7.3%.Koeltzsch等[69]研究了具有分叉型肋条结构的管道内壁表面的减阻性能,以及不同肋条结构的影响效果,这为输油管道内壁的减阻方法提供了新思路.Ou等[70]用30µm 的立方柱构建了间距为30µm的图纹表面,实验结果表明,水流经这种图纹表面的压力降低达 40%,表观滑移长度大于20µm.徐永生等[71]分别对光滑的、粗糙的、亲水的和疏水的平板在水槽中进行力和流场的测量,发现壁面的疏水性和几何结构的共同作用才可能产生明显的壁面滑移减阻效果.王家楣等[72]从船首底部喷气生成微气泡出发研究了不同雷诺数、不同微气泡浓度下的减阻试验,为微气泡减阻技术的应用提供了依据.Truesdell等[73]测量了通过低雷诺数剪切流时,由硅橡胶PDMS修饰的微结构表面上的作用力以及速度大小,验证了超疏水表面的减阻性能.陈丽莉.[74]根据蚊子等昆虫的刺吸式口器的结构与典型动植物的非光滑结构,对普通注射器针头进行了仿生非光滑表面结构组合设计,并对其影响因素进行了研究,结果表明,仿生注射器针头的减阻率可达44.5%.刘博等[75]从盾鳞的结构、形态和功能方面研究了沟槽形鲨鱼盾鳞肋条结构的减阻性能并介绍了其仿生材料模型的设计与测试方法.蒋雄等[76]提出采用气相沉积结合原位反应渗透等工艺制备疏水、耐磨、耐腐蚀、结合力好的减阻疏水表面.Daniello等[77]在具有规则微结构的表面通过测量表面速度、剪切力以及压强发现,减阻效果可达50%.徐中等[78]采用标准κ-ε湍流模型对凹坑形表面在空气介质中不同条件下的流动进行了模拟,得到的最大减阻率达到7.2%.柯贵喜等[79]对水下减阻技术研究进行了综述,重点介绍了脊状表面减阻、微气泡减阻和超疏水表面减阻的研究现状.Zhao等[59]从边界层理论,探讨并分析了超疏水表面的微观模型及滑移长度与粘性阻力的关系.由以上研究发现,疏水表面的减阻效果不仅与表面微结构、表面能大小有关,还与微结构的排布状态、流体的状态等因素有关.受到荷叶表面微结构的超疏水特性和Choi等发现的超疏水表面的滑移性质的启发,上海大学狄勤丰课题组从2002年开始了石油储层微孔道纳米颗粒吸附法降压减阻的研究.针对亲油性低渗透油田存在的高压欠注问题,狄勤丰等[80]采用疏水纳米颗粒在岩心表面吸附构建出具有类似荷叶的微纳米结构的表面,接触角测试结果表明此时岩心表面的接触角均大于120◦,最大接近150◦,滚动角约为7◦. 图 3为吸附纳米颗粒后岩心表面的接触角和扫描电镜图像,可以看出在吸附了纳米颗粒后,岩心表面及其孔喉内覆盖了一层纳米颗粒,具有类似荷叶表面的微纳米结构从而表现出强疏水性.室内岩心流动实验[81]表明,经纳米分散液处理后的岩心,渗透率有了较为明显的提高,提高幅度达19%∼87%.LBM 模拟结果表明,此时的表面滑移长度约为36nm[82],而利用疏水微管道进行的减阻实验所得的滑移长度可达83.5nm[83]. 据此,狄勤丰等[8]提出了以疏水性纳米颗粒吸附层使岩石表面特性体现为强或超疏水性,进而产生水流速度滑移效应的纳米颗粒吸附法减阻机理. 课题组分别通过岩心薄片吸附试验[9]、疏水纳米颗粒吸附微管道减阻实验、岩心流动实验[84]以及LBM模拟的方法[83]对该机理进行了深入的研究.评价实验表明,纳米降压减阻技术可使岩心的渗透率平均提高 47%,通过江苏油田的矿场实验表明,油井降压幅度最高达12.5MPa,有效期超过8个月[9].超疏水表面的滑移减阻效应具有非常广泛的应用前景.近年来随着人们对超疏水表面更加深刻的认识,人们已经在理论模型、影响因素分析、人工合成等多个方面展开研究并取得了一定的成果.但是超疏水表面产生的滑移效应的实际应用还很少.首先,这主要局限于现有超疏水表面的制备方法还仅限于研究阶段,制备条件苛刻、低表面能涂层价格昂贵、使用周期短等特点,使得大规模生产超疏水表面还难以实现.其次,由于模拟中得到的滑移长度比实验中测得的滑移长度要小,因此超疏水表面和滑移长度的理论联系应进一步分析,产生此效应的机理还有待进一步研究.再次,对于超疏水的微管道壁面,微纳米结构的排布还难以控制.最后,鉴于超疏水表面表现出的滑移减阻效应,可以断定,基于超疏水表面滑移效应的减阻技术将在机翼设计[68]、注水器针头[74]、水下航行器表面[7]、输运管道[69]等方面具有非常广泛的工业应用前景.Keywords super-hydrophobic,wettability,surface slip,dragreduction,nanoparticles adsorbing method【相关文献】1 Feng L,Li S,Li Y,et al.Super-hydrophobic surfaces:from natural to artif i cial. Adv Mater,2002,14(24):1857∼18602 Barthlott W,Neinhuis C.Purity of the sacred lotus,or escape from contamination in biological surfaces.Planta,1997,202(1):1∼83 Cottin BC,Barrat JL,Bocquet L,et al.Low-friction f l ows of liquid at nanopatterned interfaces.Nat Mater,2003,2(4):237∼2404 Choi C,Westin K,Breuer K.Apparent slip f l ows in hydrophilic and hydrophobic microchannels.Physics of Fluids,2003,15:2897∼29025 Li D,Di QF,Li JY,et rge slip length over a nanopatternedsurface.Chin.Phys.Lett,2007,24(4):1021∼10246 Lai SCS.Mimicking nature:Physical basis and artif i cial synthesis of the lotus-ef fect:[dissertation].Friesland:University of Leiden,20037侯智敏.水下航行器低表面能涂层减阻研究:[硕士论文].陕西:西北工业大学,20078狄勤丰,顾春元,施利毅等.疏水性纳米SiO2增注剂的降压作用机理.钻采工艺,2007,30(4):91∼94 9顾春元.石油储层微孔道纳米减阻机理研究:[博士论文].上海:上海大学,200810狄勤丰,沈琛,王掌洪等.纳米吸附法降低岩石微孔道水流阻力的实验研究.石油学。
新型材料表面微结构的制备与调控研究随着社会的发展和技术的不断进步，新型材料研究已经成为了现代科技领域的热门话题。
在新型材料的研究中，表面微结构的制备与调控是一个非常重要的研究方向。
本文将着重探讨新型材料表面微结构的制备与调控研究。
一、表面微结构制备技术表面微结构制备技术是制备新型材料的一种非常重要的工艺。
在表面微结构制备技术中，常用的技术包括物理制备技术和化学制备技术。
物理制备技术主要包括物理气相沉积、溅射、电子束熔化等技术；化学制备技术主要包括溶胶-凝胶法、沉淀法、电化学沉积法等技术。
在这些技术中，一些新兴的制备技术也备受关注，例如纳米压印技术、激光制造技术等等。
这些制备技术的出现，为制备新型材料提供了更多的选择。
二、表面微结构调控技术在表面微结构的制备过程中，如何对其进行调控也是一个非常重要的问题。
目前，常用的表面微结构调控技术包括控制制备条件、表面化学方法、物理场方法等。
控制制备条件是表面微结构调控中最常用的方法，例如在各种制备技术中通过控制温度、压力等制备条件来调控表面微结构。
表面化学方法是利用化学反应来实现表面微结构调控。
例如，通过在表面沉积特定的化学物质来实现表面微结构的定向生长。
物理场方法是通过外界物理场的作用来实现表面微结构的调控。
例如，通过电场、磁场等物理场的作用来实现表面微结构的控制。
三、应用前景新型材料表面微结构的制备与调控技术已经在很多领域得到了广泛应用。
特别是在能源、生物医学、环境保护、信息传输等领域，表面微结构的制备与调控技术都具有非常广阔的应用前景。
在能源领域，新型材料的表面微结构的制备与调控技术可以为能源的储存、转换、利用提供新的思路和手段。
例如，在光伏领域，通过制备表面微结构良好的材料来提高太阳能转化效率。
在生物医学领域，新型材料的表面微结构的制备与调控技术可以为生物医学领域的疾病治疗、组织修复等问题提供新的解决方案。
例如，在人工骨头领域，通过制备表面微结构良好的材料来提高其生物相容性和稳定性。
仿生表面减阻技术仿生表面减阻技术：从自然界中找到灵感运动中的阻力一直是科学家们研究的重要领域之一。
在长期的实践中，人们发现仿生表面减阻技术是一种非常有效的方式，可以显著地降低飞机、汽车等交通工具的能耗，提高运动的效率。
仿生表面减阻技术的本质是将自然界中的物种特征转化为人工材料的表面纹理，以达到减小阻力，提高运动速度和效率的目的。
本文将从亚音速空气动力学角度、褶皱表面技术和鲨鱼皮纹理技术三个方面来介绍仿生表面减阻技术。
一、亚音速空气动力学角度——鸟羽仿生表面减阻技术亚音速速度范围内的阻力主要来自于表面摩擦和压缩波，而仿生表面技术可以通过改变表面结构从而减轻垂直方向上的摩擦，减缓压缩波在平流层表面的形成，降低空气阻力。
鸟羽的表面具有高效的减阻能力，因为它们的表面特征有着复杂的形态结构，包括绒毛、平滑区、刚刚脱落的羽毛等。
这些表面特征可以形成复杂的微观结构，减小飞行时的阻力。
通过仿真实验和观察鸟羽表面结构，科学家已经成功地制造出了复杂的仿鸟羽表面材料，减小运动中的阻力。
二、褶皱表面技术——蝴蝶仿生表面减阻技术许多昆虫的翅膀表面具有复杂的结构。
例如，蝴蝶的翅膀表面上有许多皱折，且翅膀边缘上还有小锯齿。
这些细节结构可以减小阻力，控制蝴蝶的运动轨迹。
科学家利用褶皱表面技术制造出的材料，可以在轻微的气流情况下减小50%的阻力和提高25%的升力。
同时，这种技术可以使表面具有快速响应性，从而控制运动速度和运动方向。
这种技术不仅可以应用于飞机、汽车等交通工具的表面设计，也可以应用于医疗器械表面的改善。
三、鲨鱼皮纹理技术——水下仿生表面减阻技术鲨鱼是一种非常神奇的生物，它们的皮肤上具有一种独特的减阻纹理，这种皮肤特征可以减少在水下游动时的阻力，使它们大幅度地降低游泳的能耗。
科学家们已经成功地从鲨鱼的皮肤纹理中提取出仿生材料，利用这些材料可以制造出表面减阻材料，可以帮助水下运动员更加轻松地游泳，减少因水阻力导致的能耗，提高游泳的效率。
微结构减阻是一种通过在物体表面制造微小的结构来减少阻力，从而提高物体在流体中的运动性能的技术。
这种技术被广泛应用于各种领域，如航空航天、船舶、汽车、建筑等。
微结构减阻的主要原理是通过改变物体表面的流体动力学性质来减少阻力。
这些微结构可以改变流体在物体表面的流动方式，减少涡流和湍流的发生，从而降低阻力。
减阻效果好的微结构取决于多种因素，如物体的形状、大小、速度、流体的性质等。
因此，针对不同的应用场景，需要设计不同的微结构。
例如，在航空航天领域，微结构减阻技术被用于改善飞机的空气动力学性能。
通过在机翼表面制造微小的凹槽和凸起，可以改变气流的方向和速度，减少涡流和湍流的发生，从而降低阻力。
这可以提高飞机的燃油效率、飞行速度和航程。
在船舶领域，微结构减阻技术被用于提高船只的水动力学性能。
通过在船壳表面制造微小的凸起和凹槽，可以改变水流的方向和速度，减少船只在水中的阻力，从而提高船只的航速和燃油效率。
总的来说，微结构减阻技术是一种非常有效的降低阻力的方法，对于提高各种物体的流体动力学性能具有重要意义。
仿生微纳米结构功能表面强化相变传热研究在现代科技的飞速发展中，传热领域的研究一直是备受关注的焦点。
其中，相变传热因其在能源利用、电子设备散热等众多领域的关键作用，成为了研究的重点之一。
而仿生微纳米结构功能表面的出现，为强化相变传热带来了新的思路和突破。
相变传热，简单来说，就是物质在相变过程中（如从液态到气态、固态到液态等）的热量传递现象。
这一过程在许多工业和日常生活场景中都至关重要。
例如，在电脑芯片的散热中，如果相变传热效果不佳，芯片温度过高可能会导致性能下降甚至损坏。
在能源领域，高效的相变传热能够提高能源转化效率，减少能源浪费。
传统的强化相变传热方法主要集中在改进换热器的结构设计、优化工作流体等方面。
然而，随着技术的不断进步，这些方法逐渐接近其性能极限，难以满足日益增长的需求。
这时，仿生学的理念为我们打开了新的大门。
自然界中，许多生物具有出色的传热和热调节能力。
比如，植物的叶片表面具有微观结构，可以有效地调节水分蒸发和热量传递；昆虫的翅膀表面也具有特殊的纹理，有助于散热和飞行中的热平衡。
通过研究这些生物的表面结构和功能，科学家们发现微纳米结构在传热过程中起着关键作用。
仿生微纳米结构功能表面，就是模仿这些生物表面的微纳米结构而设计制造的。
这些微纳米结构具有独特的物理和化学特性，能够显著影响相变传热过程。
首先，微纳米结构能够增加表面的粗糙度和比表面积。
更大的比表面积意味着有更多的接触面积用于热量传递，从而提高传热效率。
粗糙度的增加则可以促进流体的扰动和混合，增强热对流效果。
其次，微纳米结构可以改变表面的润湿性。
通过控制表面的微观结构，可以实现从亲水到疏水的不同润湿性状态。
亲水表面有利于液体的铺展和蒸发，而疏水表面则能够促进气泡的生成和脱离，这在相变传热中都有着重要的作用。
此外，微纳米结构还能够影响表面的成核特性。
在相变过程中，核的形成和生长是关键步骤。
微纳米结构可以提供更多的成核位点，降低成核所需的过热度，从而加快相变的发生，提高传热速率。
仿生表面微结构减阻优化及机理研究综述作者：王政李田李明张继业来源：《河北科技大学学报》2017年第04期摘要：介绍了自然界中几种较为典型的非光滑结构表面生物，阐明了合理表面微结构可以改变近壁区湍流结构的规律，针对表面微结构的类型、减阻研究实例、减阻机理和减阻应用等4个方面进行了评述，提出了沟槽扩展类型，并指出减阻机理研究应拓展至复杂形态结构。
分析表明：微结构类型对减阻效果有较大影响，减阻优化及其机理研究是仿生表面微结构减阻工作的重点，仿生表面微结构减阻优化可进一步提高节能降耗的效率，在飞行器、高速列车、汽车等工程领域具有广泛的应用前景。
关键词：仿生学；表面微结构；减阻；湍流结构；气动阻力中图分类号：Q692文献标志码：A收稿日期：20161206；修回日期：20170323；责任编辑：王海云基金项目：国家自然科学基金（51605397）；牵引动力国家重点实验室自主研究课题资助项目（2016TPL_T02）第一作者简介：王政（1993—），男，河南南阳人，硕士研究生，主要从事列车空气动力学方面的研究。
通信作者：李田博士。
Email：litian2008@王政，李田，李明，等.仿生表面微结构减阻优化及机理研究综述[J].河北科技大学学报，2017，38（4）：325334.WANG Zheng，LI Tian，LI Ming，et al.Review of mechanical research and aerodynamic drag reduction of bionic surface microstructures[J].Journal of Hebei University of Science and Technology，2017，38（4）：325334.Review of mechanical research and aerodynamic dragreduction of bionic surface microstructuresWANG Zheng1， LI Tian1， LI Ming2， ZHANG Jiye1（1.State Key Laboratory of Traction Power， Southwest Jiaotong University， Chengdu，Sichuan 610036， China； 2.CRCC Tangshan Company Limited， Tangshan， Hebei 064000，China）Abstract：Some typical living creatures with a nonsmooth surface in nature are introduced. The law of the fact that an appropriate microstructure surface can transform the turbulent structure of nearwall region is briefly stated. The research status of the type of microstructure surface， the drag reduction of microstructure surface， the mechanism of drag reduction of microstructure surface and its application so far are commented. The extended types of grooves are proposed， and it is suggested that the current research on drag reduction should be extended for structures with complexshapes. The analysis indicates that the types of bionic microstructure surfaces have great effect on drag reduction， the mechanical research and aerodynamic drag reduction are focal points of the bionic microstructure surface drag reduction technology， which can further improve the efficiency of energy conservation and reduce consumption， and has a great prospect in engineering fields such as aircraft， highspeed trains， cars， etc.Keywords：bionics； microstructure surface； drag reduction； turbulent structure；aerodynamic drag《能源发展战略行动计划（2014—2020年）》提出“科学合理使用能源，大力提高能源效率，推进重点领域和关键环节节能”。
《中国制造2025》提出“推进轨道交通领域的快速发展，加快研制全新绿色的、智能的高速重载轨道交通设备”。
相关调研表明：运输系统全部能耗的1/6用于克服气动阻力，“如果减少50%的气动阻力，那么运输系统将减少7.85%的能源消耗，同时降低约300亿美元的开支”[1]。
随着人们对气动阻力的不断关注，减阻已经成为节约能耗的重要途径之一。
目前，降低运动物体气动阻力的研究主要围绕宏观尺度进行，例如优化汽车造型和列车车头外形等。
实际上，运动物体的气动性能优化也可以从微观角度考慮，大多数高速运动结构的表面都设计为光滑的，然而自然界一些生物的体表具有非光滑特性。
仿生学中的表面微结构能够为优化运动物体的气动性能（特别是减阻）提供新思路。
河北科技大学学报2017年第4期王政，等：仿生表面微结构减阻优化及机理研究综述仿生学中的表面微结构特性是动物为适应生存环境经过万年的进化形成的。
例如，作为水中游行最快的动物，旗鱼的最快速度可达190 km/h，它青褐色的身躯上，镶有纵队排列的灰白色斑点，像很多条圆点线（见图1 a））；而空中飞行最快的动物尖尾雨燕，其最快速度高达352.5 km/h（见图1 b））。
表面微结构减阻的成功应用案例为鲨鱼皮泳衣和高尔夫球：鲨鱼皮泳衣仿照鲨鱼的表面微结构；高尔夫球表面布满大小不一的圆形凹坑。
合适的表面微结构能够有效地降低流体绕过物体表面所产生的阻力。
目前已有不少国内外学者开始致力于表面微结构的研究工作，研究初期主要集中在航空航天、汽车等领域。
运动物体的表面微结构气动优化设计及机理研究具有广阔的发展空间，并将对人类的生活产生巨大影响。
1仿生表面微结构类型仿生设计类型主要包括造型、色彩、肌理、功能、结构5个方面[2]。
表面微结构仿生主要从肌理仿生层面出发，旨在改善工业产品的性能，通过对选定生物的表皮微结构特征进行提取、加工、改造，使之尽可能达到既易于加工制造又可最大程度发挥功效的目的。
表面微结构主要有3种类型：沟槽型、凹坑型和凸包型，目前减阻研究主要以沟槽型表面微结构为主。
自然界中生物的表面形态具有显著的差异。
体表凹坑微结构较为明显的生物主要有黄缘真龙虱（见图2 a））与臭蜣螂（见图3 a））。
黄缘真龙虱前胸背板表面的凹坑结构在显微镜下十分明显（见图2 b））。
它的体表具有凹坑、凸包、刚毛、刺等非光滑表面形态[3]，这种非光滑体表在空气中飞行和水中游泳时均具有减阻的效果。
臭蜣螂的体表微结构特征更为鲜明，前胸背面与头背部的凹坑最为突出（见图3 b））[4]。
图2黄缘真龙虱及其表面微结构上述2种昆虫具有比较明显的体表凹坑微结构，可将其归纳简化为球型凹坑和凸包，并通过改变这些球型凹坑和凸包的布置方式、半径、深度等来比较其减阻效果的差异，其中凹坑和凸包简化模型示意图如图4所示，凹坑截面如图5 a）所示。
钱风超[5]对鲤鱼鳞片的表面特征进行了观察，发现其表面存在凹坑形微结构特征，并将其简化为如图5 b）截面所示的凹坑形状。
沟槽表面减阻的研究主要包括二维平板沟槽、三维肋板沟槽2个方面，其中三维肋板沟槽研究根据气流与肋板相互作用的角度不同又分为顺气流方向和垂直气流方向。
20世纪70年代，美国国家航空航天局兰利研究中心率先对沟槽类型进行研究，他们从不同的生物表面提取、简化、总结出多种沟槽类型（见图6）[6]。
之后的研究人员基本都是通过对这些沟槽参数进行改变后得到新的沟槽类型，并在这些研究的基础上进行深入研究。
通过对上述沟槽类型进一步扩展，可以演变得到如图7所示的若干不同的沟槽类型。
2表面微结构减阻研究实例传统观点认为光滑表面结构的气动阻力最小，所以在20世纪60年代以前，减阻研究的主要方向是减小表面粗糙度。
表面微结构最初源于GRAY[7]的发现：海豚在水中的游行速度要比其生理上能达到的游行速度更快。
随后KRAMER[8]认为：海豚具有可自动调控的适应性表面皮肤，用来控制流过其皮肤表面的水流状态，并延后皮肤与水流之间的湍流转捩点，以达到减小表面黏性阻力的效果。
当海豚进入高速游动的状态图5球形与鱼鳞形凹坑截面时，它表面的光滑皮肤转变为具有微结构的非光滑形态。
这项重大发现突破了“表面越光滑的物体表面阻力越小”的传统认知。
鲨鱼表面微结构是水生动物中最具代表性的，如图8所示。
鲨鱼表面由被称为“皮质鳞凸”的重叠鳞片组成，这些鳞片在长度方向有凹槽，可以调整水在其表面的流动。
BECHERT等[9]对鲨鱼表面微结构进行了深入研究，他们观察了不同种类、不同年龄、不同状态的鲨鱼表面微结构特征，发现游速较快的鲨鱼体表顺水流方向存在微小的脊状物，采用人造表面结构替代方法验证得到鲨鱼的这种表面微结构可以减少7%的阻力，这与实验结果一致。
他们把鲨鱼表面的脊状物假设为漩涡发生器，漩涡发生器加强了近壁区的流动分离，从而减小鲨鱼游动时的阻力。
1978年，WALSH等[1011]最早对二维沟槽平板流动的湍流减阻机理进行研究，他们对如图6所示的各种类型沟槽进行试验，研究表明：当沟槽无量纲间距小于30，且无量纲高度小于25时，沟槽平板具有减阻效果；1985年，BACHER等[12]观察并测量沟槽平板的速度分布，同时用边界层动量积分的方法研究得到25%的减阻效果；1992年，BECHERT等[13]通过试验测量得到V型沟槽的最大减阻率为8.2%；2000年，BECHERT等[14]模仿鲨鱼表面微结构生成三维的非光滑表面，可以得到高达9.2%的减阻率。
