一步激光法大规模制备仿生超疏水减阻鱼鳞表面

发布日期：2021-07-16

研究背景

  人们从大自然中汲取灵感，开发了各种功能表面，其中超疏水表面因其广泛的用途而成为最典型的功能表面之一。近年来，通过不同的方法制造了各种疏水表面。它们独特的性能，如耐腐蚀性、减阻、散热、自清洁、抗菌、防冰、液滴输送和可切换的润湿性，使疏水表面成为众多领域的良好选择。由于自然界中动植物的表面结构具有不同的形态和性质，人们通过观察和模拟发展了制备超疏水表面的新技术。目前，许多不同的方法被用来制造超疏水表面，包括机械加工，溶胶-凝胶工艺，化学气相沉积，化学蚀刻，化学涂层和激光加工。事实上，随着人们不断探索，这种特殊的功能表面在我们的日常生活和工业领域变得越来越广泛。例如，自清洁表面可应用于建筑物和汽车玻璃；耐腐蚀表面可用于制造防锈装置；油湿表面可用于油水分离。在许多应用中，超疏水减阻是一个重要的研究领域。许多研究都在研究超疏水表面的水下减阻现象，以获得性能优异的减阻表面。超疏水减阻表面可应用于船舶、水下航行器等诸多领域，可有效降低物体的航行阻力，达到提高航行速度、降低能耗的目的。这对海洋产业发展、水下勘探等诸多领域都具有重要意义。

内容简介

  本研究基于美国红鱼的微观形态和体表鳞片排列，提取并制作了四种仿生鱼鳞模型。介绍了一种简单、快速、低成本的利用激光在铝合金上制作仿生鱼鳞表面的方法。在激光束的作用下，通过控制激光路径密度和加工次数，获得了倾斜表面的鱼鳞形貌。通过调整鱼鳞图的四个比例，生成不同尺寸的仿生鱼鳞表面，然后对不同的样品进行润湿性测试。结果表明，所有样品都是疏水性的，100%变焦比的样品表现出优异的超疏水性和低粘附性。此外，我们测试了缩放比例为100%的样品的减阻性能。实验结果表明，在不同的流动条件下，样品表现出不同的减阻性能，层流条件下减阻率可达4.814%。本研究从仿生学的角度提供了一种制备具有减阻性能的仿生超疏水表面的简单方法，为水下减阻表面的制备提供了积极的指导。

  该研究工作主要受到国家自然科学基金资助项目(No:51705033，U19A200125)，吉林省教育厅(No:JJKH20190560KJ)，吉林省科技厅(No:20190103001JH和20180101324)资助。

图文导读

图1 美国红鱼与鱼鳞的显微结构:(a)美国红鱼 (b)鱼类的鳞片排列 (c)鱼鳞 (d-d5)鳞片表面的扫描电镜显微照片

(d2)刻度的中心分区 (d3)标度的后区 标尺的上侧(d4) 标尺的下侧(d5)

图2 (a)鱼鳞沟模型的提取,鳞片的裂开结构:c-鱼鳞d-粘液e-表皮 (b)斜槽结构

图3 仿生鱼鳞的激光加工

图4 扫描电镜下不同缩放比例鱼鳞的微观结构:(a1-a4)激光加工30%鱼鳞的扫描电镜图像

(b1-b4)激光加工的50%大小鱼鳞的SEM图像 (c1-c4)激光加工的80%大小鱼鳞的SEM图像 (d1-d4)激光加工的100%大小鱼鳞的SEM图像

（投稿：张忠斌   撰稿：王曼妃   审核：翟昌太）