一种减阻防污结构及其制备方法

本发明涉及减阻防污，特别是涉及一种减阻防污结构及其制备方法。

背景技术：

1、舰船等海洋装备的能源消耗主要用于克服流体的摩擦阻力。而且，舰船表面在水下污损率高，污损通常会引起摩擦阻力的大幅度增加。为提升能源利用率，降低舰船等装备的运营成本，减阻防污技术是节能降耗必要手段。

2、船舶运输在消耗燃油的同时，每年也排放出大量的二氧化碳。二氧化碳排放量过多加剧温室效应，导致全球变暖，冰川加速融化，海平面上升，地球自然环境和生态系统遭到严重破坏，直接影响人们生活环境和健康。因此，发展减阻防污技术减小船舶运动过程中的摩擦阻力和污损，对改善自然环境，建立健全绿色低碳循环发展的经济体系具有重大迫切需求。

3、舰船等装备表面的摩擦阻力和污损会严重影响推进效率，降低设备/功能涂层的使用性能和寿命。同时，表面摩擦阻力和污损率的增加会直接增大噪音，损害装备声纳信号的发射和接收，增大被敌军探测的机率，显著降低装备的隐身性和作战性能。减阻防污是降噪、增强隐身性的有效手段。因此，减阻防污技术可显著提升海军装备的战斗能力，具有重大军事需求。

4、近年来，科学家已经开始关注鲨鱼盾鳞多级多尺度结构特征：单个盾鳞脊状肋条在顺流向方向上长度各异，在法向方向上高度不同。为了制备仿鲨鱼多尺度结构，使用光刻、3d打印技术、激光刻蚀等工艺制备出仿鲨鱼盾鳞多级多尺度结构表面，其中最为典型的是sharklet结构或相似sharklet结构，该结构已验证了减阻防污性能。但是，目前的相关工作并未研究多级多尺度结构对减阻防污的影响规律且未能进行大面积制备及应用。

5、仿生非光滑表面的共性特征为构筑“微纳结构”来实现降低摩擦阻力的目的。第一个有代表性是仿鲨鱼沟槽非光滑表面减阻技术。仿鲨鱼沟槽非光滑表面是通过在基材表面上构建各种截面形状(叶片、扇形、sharklet等)的沟槽，使流体在沟槽肋谷内动量交换过程受到抑制(“第二涡群”论)或增加粘性底层的厚度(“突出高度”论)，从而降低表面摩擦阻力。虽然仿鲨鱼沟槽非光滑表面减阻已经取得了可观的减阻效果，但绝大部分研究忽略了鲨鱼皮盾鳞多尺度齿状结构。仿鲨鱼沟槽非光滑表面的减阻率和沟槽无量纲高度(s+)及无量纲高度(h+)有密切关系，通常当s+≤30和h+≤15时，沟槽表面具有减阻特性，当s+和h+不在此范围时，沟槽表面起增阻作用。因此，仿鲨鱼沟槽非光滑表面只能有在特定条件下才能发挥减阻效果，使得沟槽表面适用范围窄，难以满足舰船表面宽雷诺数减阻需求。

6、第二个具有代表性是超疏水非光滑表面减阻技术。通过微纳结构/表面改性来构造超疏水表面，空气被固持在粗糙结构之间形成气-液界面导致界面流体产生有效滑移从而实现减阻。空气层的寿命直接影响超疏水表面耐久性，而在真实复杂海洋环境中，欠饱和水、压力和颗粒杂质等因素对超疏水表面耐久性构成了根本性挑战。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供一种减阻防污结构及其制备方法，以解决上述现有技术存在的问题，解决了舰船等海洋装备多变航速下难以长效、高效自适应减阻防污的难题。

2、为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

3、本发明提供了一种减阻防污结构，包括若干减阻防污单元，各所述减阻防污单元包括主肋结构、两个次肋结构和两个共用肋结构，所述主肋结构包括一个主肋，两个所述次肋结构分别位于所述主肋结构的两侧，各所述次肋结构分别包括至少一个次肋，两个所述共用肋结构分别位于一所述次肋结构的外侧，所述共用肋结构包括一个共用肋；

4、所述主肋结构的高度大于靠近所述主肋结构的所述次肋的高度，所述次肋结构中各所述次肋的高度由靠近所述主肋向远离所述主肋的方向减小，所述次肋结构中最外侧的所述次肋的高度大于所述共用肋的高度；

5、所述减阻防污单元的所述主肋与其在纵向上相邻的所述减阻防污单元的所述主肋位于同一直线，所述减阻防污单元与其在横向上相邻的所述减阻防污单元共用所述共用肋。

6、优选地，在同一所述减阻防污单元中，所述主肋与靠近所述主肋的所述次肋的高度差、相邻的所述次肋的高度差以及最外侧的所述次肋与所述共用肋的高度差相等。

7、优选地，所述减阻防污单元的所述主肋与其在纵向上相邻的所述减阻防污单元的所述主肋高度相同；

8、所述减阻防污单元的所述次肋与其在纵向上相邻的所述减阻防污单元的所述次肋高度相同；

9、所述减阻防污单元的所述共用肋与其在纵向上相邻的所述减阻防污单元的所述共用肋高度相同。

10、优选地，在同一所述减阻防污单元中，所述主肋与靠近所述主肋的所述次肋的长度差、相邻的所述次肋的长度差以及最外侧的所述次肋与所述共用肋的长度差相等。

11、优选地，所述减阻防污结构中的一个所述减阻防污单元记为第一减阻防污单元，在所述第一减阻防污单元以及与所述第一减阻防污单元在同一横向上的各所述减阻防污单元中，所述主肋的长度大于靠近所述主肋的所述次肋的长度，所述次肋结构中各所述次肋的长度由靠近所述主肋向远离所述主肋的方向减小，所述次肋结构中最外侧的所述次肋的长度大于所述共用肋的长度；

12、与所述第一减阻防污单元在纵向上相邻的所述减阻防污单元记为第二减阻防污单元，在所述第二减阻防污单元以及与所述第二减阻防污单元在同一横向上的各所述减阻防污单元中，所述主肋的长度小于靠近所述主肋的所述次肋的长度，所述次肋结构中各所述次肋的长度由靠近所述主肋向远离所述主肋的方向增大，所述次肋结构中最外侧的所述次肋的长度小于所述共用肋的长度；

13、所述第一减阻防污单元和所述第二减阻防污单元在纵向上交替设置。

14、优选地，所述第一减阻防污单元中的所述主肋的长度与所述第二减阻防污单元的所述共用肋的长度相等。

15、优选地，所述主肋、所述次肋和所述共用肋的截面呈矩形、扇形、v形或u形。

16、优选地，所述主肋、所述次肋和所述共用肋均采用金属材料制成。

17、优选地，所述主肋、所述次肋和所述共用肋均采用复合材料制成，所述复合材料包括聚二甲基硅氧烷和固化剂，所述聚二甲基硅氧烷和所述固化剂的比例为10:0.4-10:1.5。

18、本发明还公开了一种所述减阻防污结构的制备方法，各所述减阻防污单元中的所述主肋、所述次肋和所述共用肋均采用激光刻蚀，所述次肋结构包括n个所述次肋，所述次肋结构的各所述次肋由靠近所述主肋向远离所述主肋的方向依次记为第一个、第二个、第三个…、第n个，所述主肋的激光刻蚀次数为(n+2)m，由靠近所述主肋结构向远离所述主肋结构的方向的各所述次肋的激光刻蚀次数依次为(n+1)m、nm、(n-1)m…、2m，所述共用肋的激光刻蚀次数为1m，其中，n和m均为大于0的正整数。

19、本发明相对于现有技术取得了以下技术效果：

20、本发明的减阻防污结构的表面为非光滑表面，减阻防污结构的参数在空间呈现梯度变化，无量纲高度随不同来流速度具有可调性，因此可适应宽雷诺数下的高效减阻。此外，本发明的减阻防污结构的表面较其它结构表面具有优异的减阻防污效果，突破传统仿鲨鱼沟槽表面不能兼顾减阻效果和防污损功能，实现减阻防污一体化制备。