基于紫外线固化的柔性微结构薄膜的制备及其减阻性能研究

《Colloids and Surfaces A: Physicochemical and Engineering Aspects》：Fabrication of Flexible Microstructured Films Based on UV-Curing and Study of Their Drag Reduction Performance

　　

作者：邢书尔、张晨、朱琴颂

南京航空航天大学机电工程学院，南京，210016，中国

摘要

降低流体阻力对于提高高速车辆的能源效率至关重要。受生物启发的微结构表面可以通过调节近壁流动来实现被动阻力 reduction。然而，现有的制造技术面临一些挑战，如大规模生产成本高、适应性差以及在不同动态工作条件下的性能不稳定。为了解决这些问题，本研究提出了一种基于紫外线固化的非接触式、无需模具的方法，该方法适用于柔性PET基底。通过三步工艺（涂层、曝光、显影）制备了四种仿生微结构——方形柱状结构、圆柱形结构、肋条状结构和三角形棱柱状结构。通过流场模拟和旋转盘阻力测试评估了这些结构的阻力 reduction性能。所有结构都保持了完整的形态，水接触角可达145°。在一定的雷诺数范围内，四种设计的阻力均有显著降低，其中圆柱形结构的性能最佳且最稳定，最大阻力 reduction率为3.18%。机制分析表明，稳定的涡流形成有助于降低壁面剪切应力。这项工作推动了实用的仿生阻力 reduction技术的发展，并为提高运输能效提供了一条可扩展、适应性强的途径。

引言

在航空航天和海上运输等高速运动领域，阻力是限制速度提升、减少能源消耗和优化性能的关键因素。以航空业为例，在飞机巡航阶段，摩擦阻力占总阻力的50%以上，直接导致燃料消耗增加。统计数据显示，摩擦阻力降低1%可将商用飞机的年燃料成本降低2%-3%，同时显著减少碳排放，这符合全球“碳中和”的战略目标[1][2][3][4]。对于军用飞机而言，减少摩擦阻力不仅可以延长航程和提升机动性，还能降低被敌方探测到的时间，从而增强隐身能力。传统的主动阻力 reduction技术（如聚合物注入、气泡注入）在短期内可能有效，但需要额外的能源输入和复杂的设备支持，并且在高湍流和温度循环等复杂工作条件下容易出现故障[5][6][7][8]。

相比之下，作为典型的被动技术，微结构阻力 reduction具有无需外部能源输入、耐久性强和适用范围广等优点。通过在固体表面形成仿生微/纳米拓扑结构（如肋条状结构、凹坑、鳞片状结构），可以破坏边界层流场，减少流体与表面的直接接触面积，从而降低摩擦阻力。因此，它已成为解决上述领域阻力问题的关键技术方向，其研究和应用对于提高运输能效和确保设备在复杂环境中的适应性具有重要意义[9][10][11][12]。

近年来，关于微结构阻力 reduction的研究取得了广泛进展，形成了一个多维的技术系统，包括仿生设计、多材料复合材料和精密制造。周等[13][14][15]受沙漠中独特的舌状分形沙脊结构的启发，开发了一种分层涡流脱落阻力 reduction模型。他们提出了一种三光掩模光刻方法，显著提高了加工精度和效率，实现了多层、高长宽比异质复合微结构的精确制造。他们的仿生舌状微/纳米结构在空气流通道测试中实现了16.67%的阻力 reduction率，比类似国际技术提高了52%。澳大利亚公司MicroTau[16][17][18]通过3D打印复制了鲨鱼皮“肋条”结构，开发出一种阻力 reduction效率为7%-10%的薄膜。应用于空客A380的单次跨太平洋飞行，可节省约18吨二氧化碳排放。在制造技术方面，高精度加工的进步促进了微结构的可控构建。王等人[19]从红鼓鱼鳞片中提取特征，并采用激光加工在铝合金表面制造了仿生鱼鳞结构，在层流条件下实现了4.814%的阻力 reduction率。涂等人[20]通过激光蚀刻结合氟化处理，在不锈钢表面制备了四边形、类似鳞片的各向异性超疏水表面。当水流速度为4.48 m/s时，沿着鳞片倾斜方向的阻力 reduction率达到47%。杨等人[21]通过化学蚀刻和硬脂酸改性在AA3003铝合金表面制备了超疏水表面。使用NaOH对基底进行蚀刻，形成微棒/纳米片结构，未蚀刻的金属间相增强了结构稳定性，随后对表面进行改性以降低表面能，获得了优异的摩擦学性能。陈等人[22]利用模板复制技术实现了鲨鱼皮形态的高保真复制，并进一步提出了一种变形复制工艺，通过调整复制结构的尺寸来扩展有效的阻力 reduction速度范围。王[23]提出了一种牺牲性粗糙微结构策略，即使在微结构磨损后，也能通过残余表面粗糙度固定三相接触线，实现超过70.8%的稳定阻力 reduction。这一策略揭示了固体-液体接触面积和界面滑移对阻力 reduction的调节机制，为恶劣环境下的持久水下阻力 reduction提供了一种与润湿性无关的途径。

尽管取得了这些进展，传统的微结构制造技术（如激光蚀刻、化学蚀刻和模板复制）仍然存在固有的局限性。例如，基于激光的方法通常需要昂贵的设备和逐点扫描，导致大面积制造的吞吐量低和成本高[24][25][26][27]。化学蚀刻存在各向同性 undercutting和分辨率限制，难以实现复杂、高长宽比的微结构并精确控制尺寸[28][29]。模板复制依赖于易磨损和变形的物理模具，且在曲面基底上的复制保真度显著降低[30][31][32][33]。更重要的是，这些方法大多适用于平面或略微弯曲的表面，对于飞机机翼、发动机叶片或无人机机身等复杂空气动力学轮廓的适应性较差。因此，迫切需要一种结合低成本、可扩展生产、高几何保真度和适合复杂表面特性的制造方法。

为了解决上述制备方法的局限性，本研究提出了一种基于光刻的非接触式制造方案，旨在实现高效的阻力 reduction功能和工程应用性。该技术的核心原理如下：首先使用柔性薄膜作为基底，通过精密涂层工艺施加含有光固化材料、功能填料等的复合涂层。然后根据预设的微结构设计（如仿生肋条状结构、凹坑或鳞片状结构），使用具有特定图案的掩模选择性地将涂层暴露于紫外线（UV）下，使暴露区域发生固化反应并形成稳定的微结构骨架。最后，通过显影过程去除未暴露的液态涂层区域，得到具有精确拓扑微结构的阻力 reduction薄膜。

与现有技术相比，这种方法具有三个显著优势。首先，实现了无需模具的批量制造。无需传统模具或精密切割工具，通过“涂层-曝光-显影”的三步非接触过程完成微结构转移，大大降低了大规模生产的成本。其次，它提供了高度可定制的适应性。通过改变掩模图案（如调整微结构高度、间距、形状）和优化曝光参数（强度、时间），可以快速制造适用于不同类型飞机（如商用飞机、无人机和直升机）的微结构。这种方法甚至可以实现具有共存三维几何形状的复杂微结构。柔性基底同时满足了复杂曲面的粘附要求。第三，它具有多功能协同设计和性能稳定性的潜力。通过调整UV固化涂层的材料组成（如加入纳米SiO₂以提高疏水性，添加防冰材料以实现防冰功能，或添加羰基铁粉以实现隐身功能），薄膜可以同时具备阻力 reduction和复合功能（如防冰和隐身）。此外，界面材料的改性提高了耐候性，确保薄膜在涉及温度循环、紫外线老化等恶劣环境中的稳定性能。

章节摘录

材料

商业玻璃片（100×100 mm）、光掩模膜板和LED紫外灯（光强度：1100 mW/cm2，波长：405 nm）从供应商处购买。光固化材料包括寡聚物、反应性稀释剂和光引发剂。主要寡聚物聚氨酯丙烯酸酯（PA6264）来自上海友明化学有限公司。反应性稀释剂三甲羟基丙烷三丙烯酸酯（TMPTA）来自台湾长兴化学有限公司。

表面形态和疏水性

如图4所示，微结构薄膜通过“涂层-曝光-显影”的三步非接触工艺成功制备。薄膜的表面形态如图7所示，分别呈现出方形柱状结构、圆柱形结构、肋条状结构和三角形棱柱状结构。这些结果表明，制备的微结构完整，尺寸与设计的光掩模板一致。四种结构类型的水接触角均

结论

本研究解决了当前微结构阻力 reduction技术中的关键瓶颈，包括大规模制造的困难、表面适应性差和性能稳定性不足等问题。它提出并验证了一种基于紫外线固化的非接触式微结构薄膜制造方法。系统评估了四种仿生微结构在流体环境中的阻力 reduction性能及其背后的机制

作者贡献声明

朱琴颂：可视化、验证、项目管理和概念设计。邢书尔：撰写－原始草稿、资源获取、方法学研究、概念设计。张晨：撰写－审阅与编辑、可视化、监督、资金获取。

利益冲突声明

作者声明没有竞争性财务利益，与本研究不存在利益冲突。

致谢

本研究得到了国家自然科学基金（NSFC）项目编号51675277和江苏省“六才峰会”高层次人才项目编号GDZB-011的支持。

利益冲突声明

作者声明没有竞争性财务利益。