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1、第2卷第4期材料研究与应用Vo1.2,No.42008年12月MATERIALSRESEARCHANDAPPLICATIONDec.2008文章编号:1673-9981(2008)04-0455-05＊具有非光滑表面的仿生减阻材料的研究简介11222李光吉,蒲侠,雷朝媛,苏炳煌,鲁毅(1.华南理工大学材料科学与工程学院,广东广州510640;2.深圳市百安百科技有限公司,广东深圳518067)摘要:介绍了几种典型的水生和陆生动物体表非光滑表面的减阻特性、减阻机理及对其进行仿生研究与应用的成果.这种基于非光滑表面的仿生减阻抗粘技
2、术已成为仿生学研究和应用的一个新领域.关键词:非光滑表面;减阻;仿生材料;减阻机理;抗粘中图分类号:TB17文献标识码:A船舶在运动时,由表面摩擦所引起的阻力约占些乳突在海豚运动时能承受很大的压力,皮肤的总阻力的70%～80%,在高速运动时,摩擦阻力约最里面是由交错的胶质和弹性纤维组成的,中间占总阻力的40%左右.现代民用飞机在飞行时表面充满了脂肪细胞.1936年,Gray等人发现海豚的摩擦阻力几乎占总阻力的50%,管道运输中80%以实际游泳速度要比其生理上所能达到的游泳速度[1]上的能量消耗在表面摩擦阻力上.因此,减小运动要
3、高,这一发现引起了众多科学家的兴趣.进一步物体表面与流体之间的摩擦阻力对于设计和制造流的研究表明,海豚能高速游泳,不仅得益于它的纺体输送设备、交通工具等都是非常必要的.设计和制梭状的流线型体形,更重要的是它的弹性皮肤能备具有减阻功能的新材料无疑是实现节能降耗的重产生“自适应表面”.当海豚快速游动时,随着水的要途径之一.阻力的增加,海豚的皮肤可由光滑逐渐变为具有科学家们发现,海洋中的速度之王“鲨鱼”、“海一定几何形状的非光滑形态,以降低游动时的阻豚”,在潮湿土壤中能够运动自如而不粘土的蚯蚓、力.这种现象被称为“自适应性”或“顺应
4、性”.这种蜣螂等生物体都具有非光滑的表面结构.这种非光皮肤就像一个减振器,在与外界流体发生相对运滑表面具有神奇的微纳结构特性,使之表现出优异动的情况下,会改变层流附面层的边界条件,使边的减阻、抗粘附和抗磨损的能力.因此,非光滑表面界柔顺化,减小边界面的流速梯度和边界面的剪[2]仿生学成为一个新的研究领域.本文着重介绍三种切力,防止湍流或紊流产生.典型非光滑表面的减阻和抗粘特性、减阻机理及其1.2沟槽型表面微结构减阻特性及减阻机理在仿生材料领域的应用.沟槽型非光滑表面又称肋条样表面,其几何单[3]元由薄条和其间的沟槽构成.德国科
5、学家通过对1仿生非光滑表面减阻机理的分析鲨鱼皮肤的细致观察和研究发现,鲨鱼皮肤的表面布满了V形肋条,具有典型的冠状结构,每一块冠1.1自适应性非光滑表面的减阻特性及减阻机理状组织上有几条径向沟槽,在指向尾部的尖头处中[4][5]海豚的皮肤如图1所示,最外面的表皮上有薄止,如图2所示.Bechert等人研究发现,鲨鱼皮而光滑的角质膜,中间的真皮层上长有许多乳突,的这种V形肋条结构其实是一种三维互锁式结构,像海绵一样的中空乳突间充满着血液或体液,这即在2个肋条之间又插入一个小的肋条,这样有可收稿日期:2008-09-10＊基金项目
6、:国家自然科学基金资助项目(50873039)作者简介:李光吉(1959—),云南人,教授,博士.·456·材料研究与应用2008能减少流体的晃动,从而实现减阻.经过测试,其减阻效果达9%以上.对鲨鱼皮的结构及其减阻原理已有大量的研究和探索.目前比较得到认同的观点是:鲨鱼皮表面的肋条结构能够改变表皮附近层的流体运动状况,抑制和延迟湍流的发生,从而实现减阻;三维互锁结构可以起到稳定层流的作用,以达到更好的减阻目的.鲨鱼皮肤的“鲨鱼皮效应”为人类[6]提供了非常完美的减阻模板.图2鲨鱼皮表面的肋条结构1.3土壤动物皮肤的防粘减阻特
7、性与机理我国学者对生活在土壤中的蜣螂的皮肤结构、防粘减阻特性和机理进行了研究.任露泉教授等人发现,蜣螂体表不同部位具有不同的几何非光滑形态.蜣螂的头和爪上分布着许多凸包,如图3所示.而在蜣螂的胸节背板表面则分布着近似椭圆形的小[7]凹坑.进一步研究表明,几何非光滑体表是土壤动物具有防粘减阻特性的重要原因之一.图1海豚和仿海豚皮肤的结构小凸包的纵向剖面为波形,当动物在土壤中运(a)海豚皮肤的三层结构;(b)各构型结构;(c)科学家研动时,这些小凸包可减少土壤与动物体表的接触面发的仿海豚皮柔性表面积,从而降低摩擦阻力,达到脱土降阻
8、的效果.任露泉教授等人根据对蜣螂体表的防粘减阻特性和机理的研究成果,研制出了可有效地防止土壤粘附,提高[8]工作效率的犁头和工程铲等工具.图3蜣螂头部推土板的非光滑结构(a)凸包;(b)单个凸包的局部放大第2卷第4期李光吉,等:具有非光滑表面的仿生减阻材料的研究简介·457·
