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面向功能表面的激光仿生制造技术研究进展.pdf
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1、第 6 卷 第 2 期2023 年 6 月空天防御AIR&SPACE DEFENSEVol.6,No.2Jun.,2023面向功能表面的激光仿生制造技术研究进展沈洪1,任浩东1,李海东2(1.上海交通大学 机械与动力工程学院,上海200240;2.上海机电工程研究所,上海201109)摘要:为了提升飞行器的综合性能,疏水、防冰、防腐、减阻及吸波等功能表面受到研究者的广泛关注。激光加工技术由于其材料适用范围广、加工精度高等特点,在材料加工、复杂形貌构建、微纳尺度制造等领域有着巨大的应用潜力。总结近年来采用激光制造技术在不同材料上制备功能性仿生表面的研究进展,包括疏水、防冰、综合防腐、抗菌、减阻以
2、及吸波等仿生表面的研究。从仿生制造角度出发,展示了自然界中拥有独特功能特性的生物表面,介绍了其实现具体功能的内在原理,并列举了使用激光加工技术进行仿生表面制造的相关研究,然后对该领域所面临的挑战与发展趋势进行了讨论与展望。关键词:仿生制造;功能性表面;激光技术;微纳加工;飞行器中图分类号:TN 249 文献标志码:A 文章编号:2096-4641(2023)02-0012-11Laser Bionic Manufacturing Technology for Functional SurfaceSHEN Hong1,REN Haodong1,LI Haidong2(1.School of Me
3、chanical Engineering,Shanghai Jiao Tong University,Shanghai 200240,China;2.Shanghai Electro-Mechanical Engineering Institute,Shanghai 201109,China)Abstract:Hydrophobic,anti-icing,anti-corrosion,drag reduction and wave absorption functional surfaces have generated significant interest among researche
4、rs to enhance the overall performance of aircraft.Due to its wide range of applications and high precision in processing,laser processing technology has great application potential in material processing,complex morphology construction,micro-nano scale manufacturing and other areas.This paper has co
5、mprehensively summarized the research of functional bionic surfaces prepared on different materials in recent years,including hydrophobic,anti-icing,comprehensive anti-corrosion,antibacterial,drag reduction and wave absorption functional surfaces.From the perspective of bionic manufacturing,this pap
6、er has presented the biological surface with unique functional characteristics in nature,introduced the underlying basis of achieving a particular function,and listed relevant research on bionic surface manufacturing based on laser processing.Finally,the challenges and trends of development were dis
7、cussed and prospected.Keywords:bionic manufacturing;functional surface;laser technology;micro-nano processing;aircraft0引言为了提高飞行器的飞行效能,降低其维护成本,各国针对飞行器表面疏水、防冰、防腐、减阻及吸波性能的提高进行了大量研究1-4。高速飞行器表面冰的形成会改变其空气动力学参数,容易引发飞行事故,同时造成不必要的光学或电磁屏蔽,增加质量。NASA兰利研究中心5开发了多种疏水和防冰涂层,可以降低冰点、抑制冰的重结晶,同时降低冰的黏附强度,使得积冰更易脱落。西班牙国家航空
8、航天研究所6使用液体注入多孔表面疏水涂层覆盖铝合金表面,发现拥有微纳结构疏水涂层的表面结冰量最大降低了 45%,冰黏附强度从403 kPa减少到最低23 kPa。以色列国防部拉斐尔先收稿日期:2022-12-12;修订日期:2023-05-08基金项目:国家自然科学基金重点项目(U20A20284);交大-八院联合基金(USCAST2022-08)作者简介:沈洪(1981),男,博士,副教授,主要研究方向为先进制造技术与装备。第 2 期沈洪,等:面向功能表面的激光仿生制造技术研究进展进防御系统有限公司7发明了一种表面疏水的防冰涂层,用于减少导弹等高速飞行器在穿越雨、雪、云层区域时的结冰量,提高
9、导弹的空气动力学性能。飞行器的防腐对于延长飞行器寿命以及保持飞行器表面的空气动力学性能具有重要的意义。NASA兰利研究中心8开发了一种具有优异超疏水特性的共聚环氧涂层,可以有效减少微生物附着,抑制生物膜的形成,降低粉尘附着力,提高抗氧化性,具有较好的耐腐蚀特性。波音公司9曾在ecoDemonstrator 757机型上测试了多种疏水防昆虫附着涂层,其目的是使机翼减少昆虫残留物、污垢、冰和生物有机体黏附。海洋化工研究院有限公司10发明了一种海洋环境用热防护涂料及制备方法,该涂料具有高强度、耐高温烧蚀、耐盐雾、耐湿热、耐紫外老化的特点,可以为长期在海洋环境下使用的战术导弹、海上发射的火箭等面临高温
10、的部位提供热防护。减阻性能一方面能提高飞行器的飞行速度,另一方面能减小其燃料消耗,提升飞行器续航能力。空中客车公司11将A320试验机表面积的70贴上沟槽薄膜,达到了节油12的效果。NASA兰利中心12对Learjet型飞机的飞行试验表明,沟槽结构能够实现减阻6的效果。随着侦测打击技术的不断提升,良好的隐身效果能够大大提高飞行器在复杂战场环境中的生存能力。美国的AIM-152先进远距空空导弹、“海弗达什”(Have Dash)隐身中距空空导弹以及 AIM-9X Block+近距空空导弹,通过改进弹体外形和结构部件、使用吸波材料制造及表面外覆吸波涂层等措施,显著提升了导弹的隐身性能13。美军的X
11、-47B、MQ-25黄貂鱼无人机,欧洲的BAE雷神、达索神经元无人机,以及俄军的苏霍伊S-70无人机等,通过机身扁平化设计、翼身融合布局、复合材料机身外覆吸波涂层、优化进排气系统等方式,大幅降低了红外和雷达可探测性,提高了无人机的生存能力14。在当前研究中,对于疏水、防冰、防腐、减阻,以及吸波表面的设计很多受到自然生物的启发,例如荷叶的自清洁特性、水黾能够在水面上行走功能、蝉翼具有杀菌功能、鲨鱼盾鳞拥有很好的流体减阻特性、蛾眼具有优异的减反射性能等。功能性表面的制备方法也多种多样,包括涂层法、模板复制法、光刻法、自组装法、电化学沉积法、化学腐蚀法、等离子刻蚀法等。但是,这些方法都或多或少存在一
12、定的局限性,如加工步骤复杂、加工材料受限、可加工结构单一等15。探索简单通用并且可以实现复杂形貌构建及性能稳定的多功能表面制备方法,依然是该研究领域的重要发展方向。近年来,激光加工以其加工精度高、材料适用范围广、自动化程度高等优势,受到了研究者的广泛关注16。随着超短脉冲激光的快速发展,飞秒激光由于其极窄的脉宽和极高的峰值功率,独具“冷”加工特性,可以实现超高精度加工,在制备功能性微纳结构表面领域具有较大的应用潜力17。本文以导弹、飞机等飞行器表面的性能提高为出发点,系统总结了近年来功能性微纳结构表面的激光仿生制造相关研究,并从材料表面疏水、防冰、防腐、减阻以及吸波功能等方面进行了归纳介绍,最
13、后对该领域所面临的挑战与发展趋势进行了讨论、展望。1仿生疏水、防冰表面的原理及制备1.1疏水表面润湿性由表面的化学组成和微观形貌共同决定,是固体材料表面的一个重要特性,一般采用接触角和滚动角进行表征18。通常当接触角90时,认为该表面为亲水表面;当接触角90时,认为该表面为疏水表面;当接触角150时,认为该表面为超疏水表面。滚动角反映了材料表面与水滴的黏滞性,当接触角95%,在红外波段的吸收率90%,具有明显的宽光谱吸收特性。在微波段则体现出对特定频段的选择性吸收特性,但是仍然具有明显的吸波效果。夏安南等63采用皮秒激光和微细铣削复合加工的方式,在羰基铁-环氧树脂基吸波材料上制造出具有亚毫米级
14、沟槽、微米级沟槽和纳米级颗粒覆盖的粗糙结构表面,相比单纯进行微细铣削或者激光加工的表面,复合加工表面拥有更好的吸波效果,可将吸波材料在微波段的最大反射损耗从36.5 dB提升至45.2 dB。Fan等17采用超快激光扫描的方式在金属表面进行加工,通过改变激光参数,获得了单级微米级乳突结构,以及微米级乳突和纳米颗粒沉积的复合微纳结构(图8(f)。实验测试了两种结构表面在波长2502 250 nm的吸波效果,结果显示,复合微纳结构拥有更好的吸波性能,在Cu、Ti和W金属表面的紫外、可见光、近红外光谱中,平均反射率分别为4.1%、2.4%和 3.2%(图 8(g)。Takaku等64使用飞秒激光在铝
15、表面上构建出大面积金字塔形微锥阵列,该结构用于低通滤波器上的抗反射涂层,其在 7图7鱼鳞表面结构及其仿生制备Fig.7Surface structure of fish scale and its bionic preparation 19空天防御第 6 卷105 GHz的毫米波段仅有1%的反射损失,减反射性能达到未处理表面的45倍。Zhang等65使用飞秒激光在高电阻硅基底上构建出微米深孔阵列,微孔的入口处及内壁还覆盖着一层纳米级颗粒,这样的微纳结构使得高电阻硅的吸波性能进一步提升,与平滑高电阻率硅相比,激光加工后的高电阻率硅在 0.321.30 THz远红外波段的减反射率最大增加了14%。
16、5结束语激光加工技术具有非接触加工、材料适用范围广、自动化程度高等优点,在微纳加工领域具有独特优势。尤其是随着超快激光技术的发展,峰值功率大、热影响区域小、空间分辨率高的特点使其在特殊材料加工、复杂形貌构建、微纳尺度制造等领域有着巨大的应用潜力。本文系统地总结了近些年来采用激光制造技术在不同材料上制备功能性仿生表面的研究进展,包括疏水表面、防冰表面、综合防腐表面、抗菌表面、减阻表面以及吸波表面。在每一类功能性表面中,首先展示了自然界中拥有该类特性的生物表面结构,然后介绍了其实现具体功能的内在原理,最后列举了使用激光加工技术进行仿生表面制造的相关研究。尽管激光加工技术在功能性仿生表面的制备中已取
17、得了许多进展,但其在该研究领域的进一步发展仍然存在诸多问题:1)当前研究大多只是针对单一功能进行的设计和加工,对单一功能的加强往往意味着对其他功能的舍弃。对新一代高性能飞行器来说,在任何环境中、任何状态下都应当保持综合性能,因此,飞行器表面的多功能协同设计尤为重要。2)在功能性仿生表面制备领域,加工方法简单易行、经济效益高也是一个重要的考量标准,而激光微纳结构制造往往存在加工效率低的问题。面对飞行器外壳等大面积表面加工场景,突破激光加工效率的局限,实现大范围快速加工将会是一个巨大的挑战。3)为了获得较好的疏水、防冰、防腐、防霉性能,在加工出表面微纳结构之后,通常需要进行后续化学处理。但是,这种
18、方式显然增加了加工制造的复杂程度,同时材料表面的性能也难以保持,容易随着时间的流逝而失效。因此,改进激光加工工艺,解决激光自上而下加工的形貌局限问题,使其能够进行复杂微观形貌构建,实现超快激光一步加工成型,简化工艺流程,也是值得深入研究的重要方向。虽然激光加工技术在功能性仿生表面制备的研究中仍然存在很多问题,但其在微纳结构加工领域所具有的优势仍然是其他加工方法不可替代的。随着新型激光器不断出现以及激光加工技术的不断进步,激光微纳加工的成本与效率等劣势将会被逐渐缩小,图8蛾眼表面结构及其仿生制备Fig.8Surface structure of moth eyes and its bionic
19、preparation 20第 2 期沈洪,等:面向功能表面的激光仿生制造技术研究进展激光制备功能性仿生表面在各领域将会得到广泛应用。参考文献1 GUERRY J B,KOCH P A,CHANG L C,et al.Actively-controlled superhydrophobic surfaces:US 20160114883A1 P.2016-4-28.2 陈群志,鞠明,余文波,等.严酷环境下飞机外场腐蚀防护对策与措施 J.装备环境工程,2017,14(3):1-7.3 LISTER J T.Projectile and missile enhancement and drag r
20、eduction technology:US 20160178335A1 P.2016-06-23.4 杨慧君.隐身空空导弹渐露峥嵘 J.太空探索,2022(3):64-67.5 WOHL JR C J,SMITH JR J G.Coatings with molecular flexibility for ice adhesion mitigation:US 20170058168A1P.2017-03-02.6 VERONESI F,BOVERI G,MORA J,et al.Icephobic properties of anti-wetting coatings for aeronau
21、tical applicationsJ.Surface and Coatings Technology,2021,421:127363.7 ALISA B,BORIS S.Method of preventing ice formation on surfaces:WO 2009060446A3 P.2010-03-11.8 WOHL C J,CONNELL J W,SMITH J G,et al.Fluorinated alkyl ether epoxy resin compositions and applications thereof:US 20150344748A1 P.2015-1
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