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        激光仿生微織構(gòu)在水下航行器領(lǐng)域減阻研究

        2017-04-22 01:17:09魏曉鳳
        科技創(chuàng)新導(dǎo)報 2016年33期

        摘 要:文章圍繞水下航行器的減阻研究展開討論,對水下航行器減阻基本措施進行分析。結(jié)合仿生微織構(gòu)的研究熱點,提出運用激光直寫制備仿生微織構(gòu)的設(shè)計思想,從技術(shù)實現(xiàn)方法的角度分析了可行性,技術(shù)利用多光束激光干涉產(chǎn)生的圖案(空間上多周期的能量分布)直接加工或修改材料表面(曲面或平面)形成與圖案相對應(yīng)的高精度納米級、微米級及微納混合的周期性結(jié)構(gòu),得到具有特殊物理和化學(xué)特性的材料表面,可為水下航行器提供一種表面仿生微織構(gòu)制備方法,屬于對現(xiàn)有水下航行器摩擦學(xué)性能的改進,提高水下航行器的減阻性能。

        關(guān)鍵詞:水下航行器 減阻 激光干涉 仿生微織構(gòu)

        中圖分類號:U67 文獻標(biāo)識碼:A 文章編號:1674-098X(2016)11(c)-0045-03

        中國是路海兼?zhèn)涞陌l(fā)展中海洋大國,海洋為中國經(jīng)濟的可持續(xù)發(fā)展提供了廣闊的發(fā)展空間,在這樣的宏觀背景下,探索認知海洋是開發(fā)利用和保護海洋的先決條件。水下航行器是一種航行于水下的航行體,它能夠完成水下勘探、偵測甚至軍事上的進攻防守等任務(wù),在海洋經(jīng)濟建設(shè)和海洋國防中發(fā)揮著重要作用。海洋環(huán)境特殊,條件苛刻,水下航行器的運行速度和能量消耗是評價航行器的續(xù)航能力、運行成本和航行體性能的重要指標(biāo)。航行器在海水中的運行阻力是制約航行器在水下運行速度和能量消耗的關(guān)鍵因素。據(jù)統(tǒng)計,摩擦消耗了世界能源的1/3以上,磨損導(dǎo)致了約60%的機械材料損耗,其中船舶機械中70%左右的失效與摩擦磨損有關(guān)[1]。減小水下航行器的運行阻力可在提高航速和續(xù)航能力的同時節(jié)省能源,提高水下航行器的負載能力。因此,降低水下航行器阻力是提高水下航行器航速的有效方法之一。

        1 水下航行器減阻基本措施

        水下航行器的分類有多種類型,按用途分有作業(yè)用和測量用兩類,根據(jù)臍帶電纜的有無可分成有纜、無纜、有纜無纜通用型三類,按尺寸可分為超小型、小型、中型、大型等,按有無人控制可分為載人水下航行器和無人水下航行器。當(dāng)水下航行器在水中工作時,由于海水具有粘性的緣故,水下航行器周圍有一薄層水被帶動隨同運動,稱為邊界層。穩(wěn)定的層流層將有助于減小摩擦。邊界層水分子運動速度不同,水和航行器表面及水內(nèi)部相互作用,對航行器表面產(chǎn)生切向應(yīng)力。這個切向應(yīng)力與航行方向之間的合力即為水下航行器的摩擦阻力。用下式表示:

        其中,ρ為海水密度,V為水下航行器的航行速度,S為水下航行器表面積,為水下航行器的摩擦阻力系數(shù)。由上式可知,航行器的摩擦阻力與航行速度和摩擦阻力系數(shù)相關(guān)。目前,主要的水下航行器減阻方法主要從降低航行器的摩擦阻力系數(shù)入手,降低水下航行器的摩擦阻力。

        水下航行器減阻的主要方法包括隨行波減阻法、涂層減阻、微氣泡減阻法、柔性表面減阻法、外形優(yōu)化設(shè)計減阻法、仿生微織構(gòu)減阻法等。各種減阻方法的主要思路就是改變流場的狀態(tài),延長層流,抑制湍流,推遲從層流到湍流的發(fā)展,達到降阻的目的。其中,仿生減阻運用類比、模擬及模型方法復(fù)刻動植物特有外表結(jié)構(gòu),其目的不在于直接復(fù)制各個細節(jié),而是要明確生物系統(tǒng)的工作原理,以實現(xiàn)特定功能。微織構(gòu)減阻只需要在航行器表面加工出微織構(gòu)結(jié)構(gòu)或者粘附微織構(gòu)薄膜等就可實現(xiàn)減阻,不需要外加設(shè)備,應(yīng)用前景廣闊。仿生微織構(gòu)減阻將仿生學(xué)和微織構(gòu)減阻結(jié)合,屬于仿生研究模型的延伸,在明確生物系統(tǒng)工作原理的基礎(chǔ)上,與工程應(yīng)用結(jié)合,可顯著提高表而摩擦學(xué)性能,降低摩擦阻力,已得到國內(nèi)外科學(xué)技術(shù)工作者的廣泛關(guān)注,具有廣泛的應(yīng)用前景。

        2 仿生微織構(gòu)減阻研究進展

        為了適應(yīng)優(yōu)勝劣汰的生存法則,動物在進化過程中都有制勝的對策。其中,比較廣泛的選擇是在體表形成一定規(guī)模和尺寸的表面織構(gòu),如,海豚皮膚結(jié)構(gòu),真皮層有許多乳頭狀的突起可以在運動過程中承受巨大的壓力。同時,皮膚附近的水流由渦流層變成層流層,在水中游動時皮膚就類似于一種減振器,按水流的波動起伏,靈活變形,把阻力減到最小,成為海洋中的游泳高手;穿山甲的體表凹凸明顯,體表鱗片曲率波紋的存在,讓土壤與體表的接觸面之間存在一定的空隙,使凹處形成無土區(qū),即使在粘土里穿行,也可以打斷連續(xù)水膜的形成,減少與土壤之間的真實接觸面積,凹區(qū)儲存的空氣可形成空氣膜降低摩擦系數(shù),增加潤滑效果,有利于其穿梭于土壤砂石之間。目前科學(xué)家仿造海豚特殊的皮膚結(jié)構(gòu),制造了人造海豚皮,雖然只能模仿海豚皮膚的部分功能,但是已成功將阻力減小40%~60%,目前已經(jīng)應(yīng)用到魚雷和潛艇領(lǐng)域。英國的CV90“犰狳”戰(zhàn)車,車身擁有良好的斜角設(shè)計,垂直裝設(shè)的裝甲側(cè)裙板采用先進的復(fù)合材料制成,可吸收雷達波并降低車輛運作時所散發(fā)的紅外線,具有反雷達追蹤能力,即便在遭遇核生化環(huán)境下,其外型也有助于進行除污等洗消作業(yè),是目前最著名的穿山甲仿生設(shè)計,具有軟硬兼施的防護力,堪稱現(xiàn)實版的穿山甲。科學(xué)研究發(fā)現(xiàn)鯊魚皮表面微溝槽結(jié)構(gòu)的出現(xiàn),渦旋只與微溝槽尖峰接觸,剪切應(yīng)力較小,流速較快,微生物只有很短的時間沉積在溝槽表面,可起到降低摩擦、自清潔作用,根據(jù)鯊魚的皮膚特點,SPEEDO公司研制了仿鱉魚皮泳衣,穿著這種能有效減少阻力、消減皮膚振動和肌肉震蕩的神奇泳衣的選手打破了不少世界紀(jì)錄。基于蚯蚓背孔射流的仿生射流表面也引起了仿生學(xué)家的關(guān)注,蚯蚓瞬間射流時,體腔液噴射到土壤及背孔四周,使得背孔附近區(qū)域得到潤滑,減小體表與土壤之間的摩擦阻力。射流表面通過改變壁面邊界層實現(xiàn)對流場進行有效的控制,以減小壁面的黏性剪切應(yīng)力和雷諾應(yīng)力,繼而減小壁面所受的摩擦阻力以達到減阻作用。建立合理的仿生射流表面結(jié)構(gòu)模型,可為工程實踐提供新型減阻方法。

        表面形貌對摩擦副摩擦行為及潤滑性能有很大的影響。通過在表面加工具有一定規(guī)則的織構(gòu)可以改善其摩擦特性和潤滑效果,其中織構(gòu)形狀的幾何參數(shù)是關(guān)鍵因素之一,只有在合適的范圍內(nèi)才會得到優(yōu)異的潤滑效果,否則適得其反。

        上海理工大學(xué)運用P秒激光在鑄鐵材料試件表面加工出橢圓形、溝槽、圓坑3種不同形狀,10%和20%兩種不同面積占有率的織構(gòu)表面,并在MR-H5型高速環(huán)塊磨損試驗機上進行摩擦磨損測試,實驗結(jié)果證明合理的表面織構(gòu)能夠改善材料表面的摩擦磨損性能,達到節(jié)能減排的目的[2]。

        杜宏益等利用仿生摩擦學(xué)原理在刀具的表面建立刀具切削模型,仿真溝槽微織構(gòu)形貌,研究了不同的織構(gòu)形式對切削溫度和切削力的影響,證實織構(gòu)模型有利于降低刀具切削力[3]。

        宋保維等采用VOF多向流模型進行數(shù)值仿真研究,發(fā)現(xiàn)超疏水表面凹槽結(jié)構(gòu)附近產(chǎn)生壓差阻力導(dǎo)致凹槽內(nèi)部形成了低速漩渦,產(chǎn)生推動效應(yīng)與渦墊效應(yīng);超疏水表面減阻率隨凹槽槽寬增大而增大,隨來流速度的增大而減小,受凹槽深度影響不顯著,矩形凹槽和V形凹槽與U形凹槽相比產(chǎn)生更好的減阻效果[4]。

        韓志武等根據(jù)生物非光滑形態(tài)理論在軋輥模型試件表面加工出鱗片形、凸包形、凹坑形及波紋形4種非光滑形態(tài),針對不同形態(tài)表面進行了摩擦磨損試驗。研究發(fā)現(xiàn):經(jīng)過激光織構(gòu)處理的仿生非光滑表面的抗磨性能遠遠優(yōu)于未加工的光滑表面(二者的磨損率相差幾十倍甚至上百倍),其中具有鱗片形仿生非光滑表面形態(tài)的試件的抗磨性能最佳[5]。

        魏曉鳳等運用激光干涉直寫,成功制備酒窩點陣結(jié)構(gòu),成功改善鈷鉻鉬合金材料的摩擦性能,同時加強了材料硬度[6]。

        織構(gòu)的存在可以有效提高承載力,捕獲摩擦過程中產(chǎn)生的磨粒減小磨損,儲存滑液,并在潤滑不足的情況下充當(dāng)暫存器提供二次潤滑??棙?gòu)表面在摩擦副對摩速度較大時會甩出大部分的潤滑液/油,可以在表面發(fā)生磨損匱乏潤滑情況下提供暫存的潤滑液,達到持續(xù)潤滑的效果,提高整個摩擦副間的相互潤滑程度。同時,織構(gòu)陣列可以容納磨粒,顯著改善在摩擦過程中產(chǎn)生的粒子所引起的磨損問題。凹坑狀、柱狀、溝槽狀微織構(gòu)圖案是目前常見織構(gòu)形貌。

        3 仿生微織構(gòu)制備工藝

        表面微織構(gòu)是在材料表面構(gòu)建具有規(guī)整形狀的微/納米級微囊圖案結(jié)構(gòu),表面微囊具有儲存潤滑液的作用,從而改善摩擦配副表面的潤滑狀態(tài),實現(xiàn)摩擦學(xué)性能的提高。通過仿生微織構(gòu)達到改善材料摩擦學(xué)性能的主要手段有表面涂層法、表面接枝改性、等離子處理、表面圖案化等。表面涂層主要是通過增強材料表面性能達到減阻的目的。涂層好壞的關(guān)鍵在于涂層與基體間界面結(jié)合強度的大小,這是涂層中至關(guān)重要且較難解決的問題。在涂層應(yīng)用中,由于摩擦引起的溫升會導(dǎo)致涂層失效、脫落。同時,涂層與基體的熱膨脹系數(shù)的差異會導(dǎo)致材料中存在內(nèi)應(yīng)力,進而影響抗磨、減阻能力。表面接枝改性是通過在材料表面接枝親水、疏水、親水/疏水或具有特定結(jié)構(gòu)的官能團,實現(xiàn)材料表面潤濕性的改善,進一步改善摩擦學(xué)性能。由于技術(shù)條件的限制,目前材料表面接枝潤滑膜的厚度有限,僅達到納米量級。這對水下航行器在海洋水壓作用下,潤滑膜的潤滑效果的持久性有待驗證,且接枝改性后潤滑膜與基材的結(jié)合強度有待提高。等離子處理是將改性材料置于特定的氣氛下進行等離子輻照或通過離子注入方式改變材料表面的物理、化學(xué)狀態(tài),從而實現(xiàn)材料表面物理、化學(xué)性能的改變。等離子體對材料的改性主要是以提高材料表面硬度、摩擦學(xué)阻力,從而提高材料的減阻、抗磨能力。

        結(jié)合表面微織構(gòu)的優(yōu)勢,激光干涉制造在表面圖案化改性方面具有其他技術(shù)不可替代的潛力及優(yōu)勢。該技術(shù)利用多光束激光干涉產(chǎn)生的圖案(空間上多周期的能量分布)直接加工或修改材料表面(曲面或平面)形成與圖案相對應(yīng)的高精度納米級、微米級及微納混合的周期性結(jié)構(gòu),得到具有特殊物理和化學(xué)特性的材料表面。因此,將激光干涉制造技術(shù)與圖案化技術(shù)結(jié)合運用于水下航行器的表面改性方面,克服現(xiàn)有的技術(shù)不足,提供一種表面圖案化制備低摩擦水下航行器的方法,屬于對現(xiàn)有水下航行器性能的改進,提高水下航行器的摩擦學(xué)性能。

        3.1 激光仿生微織構(gòu)

        激光干涉光刻技術(shù)是根據(jù)光的干涉原理對滿足干涉條件的兩束或多束相干光進行干涉,在二維、三維方向發(fā)生干涉組合。改變曝光時間、相位角、入射角等參數(shù)可得到不同的周期性圖形陣列,如,條紋陣列、點陣列、酒窩(孔)陣列。目前較多應(yīng)用在太陽能電池板、人工自清潔結(jié)構(gòu)、生物植入物等功能材料表面。

        3.2 激光干涉光刻制備微織構(gòu)陣列的理論模型

        以三光束為例,設(shè)定空間角、、分別為0°、120°、240°,入射角為θ1=θ2=θ3=θ,偏振角、、,振幅均為A,則干涉光強為:

        其中,波數(shù),x、y為坐標(biāo)[6]。

        將各參數(shù)代入MATLAB,可得到三光束點陣圖,圖1為光強分布。理想情況下,三光束干涉結(jié)果可形成凹坑或突起點陣結(jié)構(gòu),均勻排列在六邊形的網(wǎng)格上,強度最大值可達到Imax=9A2。三光束激光干涉系統(tǒng)可分為三束光從同一個面入射和三束光從不同面入射,雖然最終制備的干涉圖形不同,但基本原理一樣。當(dāng)三束光從一個平面以不同的入射角干涉時,干涉圖形為條紋陣列;當(dāng)三束光從不同平面入射時,則得到規(guī)則點陣結(jié)構(gòu),可以用來制造表面織構(gòu)陣列(如圖2所示),用來減小摩擦,提高潤滑,應(yīng)用在軍事、軸承、人工關(guān)節(jié)表面以及水下航行器的表面。

        4 結(jié)論

        (1)微織構(gòu)陣列的存在可以提高有效承載力,相比于光滑表面,織構(gòu)表面暫存的潤滑液可以在匱乏潤滑情況下提供暫存的潤滑液,獲得持續(xù)的潤滑效果,改善整個摩擦副間的潤滑狀態(tài)。同時,織構(gòu)陣列可以容納磨粒,顯著改善由摩擦產(chǎn)生的粒子造成的磨損問題,優(yōu)化摩擦、磨損性能。

        (2)激光干涉制造在表面圖案化改性方面具有其他技術(shù)不可替代的潛力及優(yōu)勢。該技術(shù)利用多光束激光干涉產(chǎn)生的圖案(空間上多周期的能量分布)直接加工或修改材料表面(曲面或平面)形成與圖案相對應(yīng)的高精度納米級、微米級及微納混合的周期性結(jié)構(gòu),得到具有特殊化學(xué)和物理特性的改性材料。

        (3)將激光干涉制造與仿生微織構(gòu)結(jié)合,運用在水下航行器表面,可達到降阻節(jié)能的目的。

        參考文獻

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        [2] 陳傲,王書文,蔣春燕,等.激光表面織構(gòu)對鑄鐵摩擦磨損性能的影響[J].表面技術(shù),2016,45(9):163-169.

        [3] 杜宏益,何林,杜紅星,等.仿生摩擦學(xué)刀具織構(gòu)設(shè)計[J].組合機床與自動化加工技術(shù),2016(4):138-142.

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