本发明属于海洋减阻材料，表面工程，具体涉及一种仿生型多棱柱织构减阻表面及其制备方法。
背景技术：
1、船舶和潜航器等设备在水下作业过程中受到的阻力是限制其运行速度、增加能耗、削弱机动性和续航能力的主要因素。减小运行阻力可在提高航速和续航能力的同时节省能源，提高设备的负载能力。因此，减阻成为提高水环境作业设备工作效率最有效的方法之一。当前，国内外在减阻领域的发展现状如下：
2、1、微气泡减阻、振动减阻、射流减阻等主动控制减阻法，这些策略虽然减阻效果出色，但实现技术难度大，成本高，且需额外的设备和供能，与节省能源、增强续航的目的相悖。
3、2、通过表面材料与微结构的设计来实现减阻的方法，因不需供能、实现简单等优点，受到广泛关注，目前已有的策略如下：
4、(1)仿照鲨鱼盾鳞结构的沟槽减阻表面：此类减阻表面的沟槽结构可以产生速度较低的“二次涡”，大大降低流向涡对产生的频率和强度，湍流猝发变弱，从而降低了摩擦阻力。但是，这种表面结构复杂，制备困难且成本高昂。
5、(2)锥形凸起减阻表面：采用激光烧结工艺制备出模板，随后通过倒模法制备而成。该结构表面的锥形凸起可以作为涡流发生器，增加涡流的数量和尾迹效应，减少粘滞阻力；锥形凸起还可以破坏和抬升大尺度涡旋，产生大量低能量小尺度涡旋，减弱扰动和能量交换，产生边界层滑移从而减小流体粘滞阻力。但现有的研究显示，此策略的减阻效果较差。
6、(3)超疏水减阻结构表面：通过喷涂微纳米粒子、化学沉积或者光刻等方式制备微结构表面。这些微结构能够捕捉空气层，从而实现减阻。这种微结构表面虽然有很好的减阻效果，但往往结构脆弱，且气层稳定性欠佳，无法长效减阻。
7、(4)柔性减阻表面：该减阻表面采用柔性聚合物材料制成，通过延缓层流向湍流的转捩实现减阻。此减阻表面成本低廉，制备简单，但是减阻效果十分有限。
8、上述减阻策略均存在成本、减阻长效性和减阻性能优异性等方面的问题。
技术实现思路
1、为了解决上述问题，本发明受黄腹海蛇减阻表皮的启发，提出了一种仿生型多棱柱织构减阻表面，该表面由柔性聚合物织构底层和亲水性接枝聚合物顶层构成；
2、所述的柔性聚合物织构由若干个多棱柱减阻单元交错阵列排布构成：多棱柱的最大x轴方向尺寸a和最大y轴方向尺寸b为30～1500μm，高度h为5～500μm；x轴方向和y轴方向的相邻两多棱柱单元间距分别为la、lb，尺寸范围均为40～2000μm；在y轴方向上，相邻两行多棱柱呈现出在x轴方向上偏移0～la的交错阵列排布；棱柱单元间的沟槽深宽比h/(la-a)为1/5～3；
3、所述的柔性聚合物材料优选聚二甲基硅氧烷(pdms)类、聚氨酯(pu)类、氯丁橡胶类、聚乙烯醇(pva)类、聚酰亚胺(pi)类和聚萘二甲酯乙二醇酯(pen)类柔性聚合物材料中的一种或多种的组合。
4、亲水性接枝聚合物为单体m-r1与单体bp-r2的共聚物；
5、其中，所述单体m-r1为烯烃类化合物及其衍生物，且其中含有-oh、-cooh、-nh2、-conh2、-sh、-so3h等亲水性官能团中的一种或多种；
6、优选为丙烯酸(aa)、甲基丙烯酸(maa)、2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸(amps)、n,n-二甲基丙烯酰胺(dmaa)、丙烯酰胺(am)、乙烯醇(va)、聚合物聚乙烯醇(pva)、羟乙基甲基丙烯酸酯(hema)、2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸(amps)、n-异丙基丙烯酰胺(nipam)、乙烯基吡咯烷酮(nvp)中的一种或多种的组合。
7、所述单体bp-r2的通式为：o，
8、其中，r2为包含有一个或多个碳碳双键的有机基团，优选为-ch＝ch2、-co-ch＝ch2、-co-c(ch3)＝ch2、-o-co-ch＝ch2、-ch＝ch-och3、-ch＝ch-c6h5中的一种。
9、一种仿生型多棱柱织构减阻表面的制备方法，步骤具体如下：
10、1)制备多棱柱织构：按照多棱柱减阻单元交错阵列排布制备出仿生多棱柱织构表面模板；优选地，所述的模板通过激光直写或纳米压印制备；具体优选采用激光雕刻的方式在金属板上打出多个形孔；所述形孔与多棱柱减阻单元对应；激光功率20～150kw、频率20～100khz、激光波长1064nm、加工环境20～35℃；
11、制备的模板用乙醇超声清洗5～20min，并用氮气吹干，为了方便脱模，用氟化试剂对模板进行表面氟化处理；所述氟化试剂为氟化氢(hf)、氟化铵(nh4f)、氟化钠(naf)、三甲氧基(1h,1h,2h,2h-十七氟癸基)硅烷、三氟化氮(nf3)、六氟化硫(sf6)、四氟化碳(cf4)中的一种或多种的组合。
12、将柔性聚合物预聚体倒入模板中，固化后取出即可得所设计的结构。
13、2)亲水性接枝聚合物的合成：将m-r1、bp-r2溶于溶剂中，m-r1与bp-r2的质量比为10:1～1:4，反应物与添加溶剂的比例为0.2～1(g/ml)；在0.4～2wt％热引发剂偶氮二异丁腈(aibn)的引发下，上述溶液在60～75℃反应5～12h，合成亲水性接枝聚合物；溶剂为dmf、乙醇、丙酮、四氢呋喃、甲苯中一种或多种的组合。
14、3)亲水聚合物在棱柱织构表面的接枝：将步骤2)得到的亲水性接枝聚合物溶液涂覆在结构表面，随后置于距离紫外灯(250～400nm，50～500w)10～20cm的位置照射3～30min，bp-r2作为光引发剂，夺取结构表面的氢，通过共价锚定的方式，将共聚物牢固的接枝到结构表面，最后，将上述表面放入60℃烘箱中干燥1～5h。
15、涂覆方法可以选用，喷涂、刷涂、浸涂和旋涂的方法。
16、本发明中的一种仿生型多棱柱织构减阻表面的制备方法，步骤具体如下：
17、1)制备仿生多棱柱织构表面：通过增材制造或直接加工柔性聚合物膜的方式得到结构表面；所述的直接加工方式为光刻、激光直写或纳米压印；
18、2)亲水性接枝聚合物的合成：将m-r1、bp-r2溶于溶剂中，m-r1与bp-r2的质量比为10～1:4，反应物与添加溶剂的比例为0.2～1(g/ml)；在0.4～2wt％热引发剂偶氮二异丁腈(aibn)的引发下，上述溶液在60～75℃反应5～12h，合成亲水性接枝聚合物；溶剂为dmf、乙醇、丙酮、四氢呋喃、甲苯中一种或多种的组合。
19、3)亲水性聚合物在棱柱织构表面的接枝：将步骤2)得到的亲水性接枝聚合物溶液涂覆在结构表面，随后置于距紫外灯(250～400nm，50～500w)10～20cm的位置照射3～30min，bp-r2为光引发剂，夺取结构表面的氢，通过共价锚定的方式，将共聚物牢固的接枝到结构表面，最后，将上述表面放入60℃烘箱中干燥1～5h。
20、涂覆的方法可以采用，喷涂、刷涂、浸涂和旋涂的方法。
21、本发明与现有技术相比，借鉴黄腹海蛇的表皮鳞片结构，选用柔性聚合物材料，通过直接精密加工或先制备模板再浇注倒模的方式制备所需结构，最后，在结构表面进行亲水接枝改性，从而得到减阻表面。减阻表面选用的柔性聚合物材料可以释放壁面压力，使边界层中压力梯度缓解，延缓了层流向湍流的转捩从而减少阻力。仿真模拟结果表明，当流体流经此类结构表面时可以在垂直流向沟槽中形成涡旋，将流体滑动摩擦变为滚动摩擦从而减少摩擦阻力；非垂直流向沟槽可以减弱湍流强度，稳定流场、减少湍流猝发从而减小阻力。另外，该减阻表面的亲水聚合物顶层通过离子键或氢键与水分子相互作用，在表面形成一层水化层，从而有效的削弱流体对表面的摩擦阻力。在使用过程中，仿生型多棱柱织构减阻表面通过特殊的结构与表面特性显著降低流体阻力。
22、该表面具有高度可调节性，具体表现为：对减阻表面进行ansys fluent双向流固耦合仿真模拟和水洞实验测试，结果表明，仿真模拟与实际测试的结果具有很强的一致性，因此可以很好地辅助该表面的结构优化。通过模拟与实验的结构优化，控制沟槽的深宽比h/(la-a)在0.2～3内变化，在0.5～4m/s的流速下，减阻率呈现先增大后减少的趋势，深宽比为1左右时的表面减阻率最佳，可达12％。当深宽比过小时，不能形成有利于减阻的涡旋结构，减阻效果较差。当宽深比过大时，结构表面流场不稳定，容易引发湍流。此外，强烈的涡旋会与主流区分离，因此不利于降低流体阻力。另外，通过实验和仿真模拟，控制结构表面沟槽尺寸不变，逐渐加大顶角角度，使表面结构从正六边形逐步演化为长六变形、矩形，此过程中，减阻率的峰值逐渐向高流速移动。
23、利用水洞、流动水槽装置对仿生型减阻表面的减阻效果进行测试，并通过流体仿真模拟手段对测试结果进行验证，结果表明该仿生表面减阻率达到12％，显著降低了流体阻力。此外，通过控制结构的形状和尺寸、接枝聚合物的化学结构以及柔性材料的力学特性，可以在特定流速下取得最佳的减阻效果。该仿生型多棱柱织构减阻表面可用于减小船舶、水下航行器、水上飞机、管道运输等水上或水下交通运输设备的运行阻力，具有潜在的应用前景。
1.一种仿生型多棱柱织构减阻表面，其特征在于，该表面由柔性聚合物织构底层和亲水性接枝聚合物顶层构成；
2.根据权利要求1所述的仿生型多棱柱织构减阻表面，其特征在于，所述的柔性聚合物为聚二甲基硅氧烷类、聚氨酯类、氯丁橡胶类、聚乙烯醇类、聚酰亚胺类和聚萘二甲酯乙二醇酯类中的一种或多种的组合。
3.根据权利要求1所述的仿生型多棱柱织构减阻表面，其特征在于，
4.根据权利要求1所述的仿生型多棱柱织构减阻表面，其特征在于，单体bp-r2中r2为-ch＝ch2、-co-ch＝ch2、-co-c(ch3)＝ch2、-o-co-ch＝ch2、-ch＝ch-och3、-ch＝ch-c6h5中的一种。
5.如权利要求1所述的仿生型多棱柱织构减阻表面的制备方法，其特征在于，该步骤具体如下：
6.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，步骤1)中所述氟化试剂为氟化氢、氟化铵、氟化钠、三甲氧基(1h,1h,2h,2h-十七氟癸基)硅烷、三氟化氮、六氟化硫、四氟化碳中的一种或多种的组合。
7.如权利要求1所述的仿生型多棱柱织构减阻表面的制备方法，其特征在于，该步骤具体如下：
8.根据权利要求5或7所述仿生型多棱柱织构减阻表面的制备方法，其特征在于，步骤3)中所述涂覆的方法可以采用喷涂、刷涂、浸涂和旋涂中的一种或多种的组合。
