在全球能源危机日益严重的今天,水下减阻技术在各个领域越来越被人们所重视,而如何能够更高效率地低阻航行成为当下的热门议题。近年来超疏水减阻表面的迅速发展已经使其成为当下缓解水下装备表面减阻技术瓶颈的重要手段之一。该表面主要利用其粗糙的表面微纳结构捕获空气进入水下环境,改变航行体表面与流体介质的接触和摩擦方式,进而达到变革水下装备表面减阻技术的目的。然而,传统的超疏水表面在航行体减阻表面的应用存在一定的局限性,难以完全隔离航行体表面与水介质的接触,从而无法达到极致的减阻效果。因此,超疏水减阻表面的设计与研发工作目前仍然存在较大的发展空间。仿生学的迅速发展为解决仿生超疏水表面在水下装备减阻技术方面的结构设计和研发过程中存在的问题提供了新的思路。自然界中的生物在经过亿万年的自然选择下,进化出近乎完美且适应环境的特殊功能结构。这些结构的功能性以及减阻性能往往优于当下使用的减阻技术。师法自然,从这些典型生物体进化出的特殊结构出发,深入研究生物体减阻机理,将为研发新型仿生减阻表面提供新思路。水蜘蛛借助其体表特殊的微纳结构,在其全身周围捕获一层气膜,从而达到水蜘蛛与水环境完全隔离开来的目的,使其在水环境中快速通行。但是由于水蜘蛛仅生存于水环境中,无法解决油水介质中的减阻难题,因此我们将目光又投向了红颈鸟翼凤蝶。红颈鸟翼凤蝶由于其特殊的生存环境,热带雨林中高湿度空气随时凝聚的水滴和雨林树木大量分泌的油性树脂,进化出了完美的蝶翅骨架结构。这种结构的存在使得蝶翅表面面对不同液体呈现出不同的润湿形态,油性物质在其蝶翅表面迅速铺展并快速离开蝶翅表面,水性液滴则直接滚落。蝶翅的优异结构特征保证了蝴蝶在雨林中畅飞无阻。因此本文选取这两种生物作为仿生原型进行仿生减阻表面的构建。本文的主要研究内容如下:1.水蜘蛛体表多尺度微纳结构表征及其水下减阻性能分析:水蜘蛛腿部、腹部及背部均分布着密集的纤毛结构,这些纤毛具有多尺度分级结构特征。纤毛整体呈柳絮状镶嵌在体表,单根纤毛长度约为120μm。进一步观察后发现纤毛表面衍生出二级微刺,整体结构类似于“鸡毛掸子”,增加了表面疏水性能。为了增加水下气泡的捕获能力,纤毛根部护卫型的“窝”结构起关键性作用。多级尺度的纤毛微结构及其根部窝状结构共同搭建了水蜘蛛的超疏水表面。这种超疏水结构和气泡捕获特性相结合的特征,使水蜘蛛具备水下快速行进特性。2.红颈鸟翼凤蝶蝶翅多尺度分级结构表征与分析:利用多种显微镜等仪器表征了蝶翅鳞片的特征结构与关键参数,发现在蝶翅鳞片表面分布有垄状分布的脊脉结构和在脊脉结构中间分布的孔隙结构,且脊脉结构表面分布有沟槽结构。进一步分析发现,蝶翅骨架多尺度微纳分级结构展现出优异的超疏水性能。脊脉结构、沟槽结构与孔隙结构的疏水亲油特性展现出了良好的减阻特性。3.金属基仿生多尺度微纳分级结构制备及其水下减阻性能研究:基于上述水蜘蛛体表多尺度微纳分级结构制备了两种仿生超疏水减阻表面,并对两种表面的形貌特征和物理结构进行了表征。纳米球为表面提供疏水性能,激光打标法刻蚀得到的粗糙微窝结构增加表面对气泡的捕获能力。此外,试验结果表明,该仿生表面具备优异的减阻性能。4.仿蝶翅超疏水减阻功能表面的制备及其性能研究:首先检验了该表面的非润湿特性,试验结果表明,仿生水下减阻表面可以快速摆脱水和油性介质的干扰,始终保持了表面的超疏水特性。此外,设计并搭建了验证仿生减阻表面试验场地,针对不同的应用场景,验证了该表面在纯水环境、油水混合环境以及纯油表面环境的减阻状况,试验结果表明该表面在三种不同环境下均展现出优异的减阻性能。