表面功能结构制造研究进展_汤勇

机 械 工 程 学 报 JOURNAL OF MECHANICAL ENGINEERING 第 46 卷第 23 期 2010 年 12 月 Vol.46 No.23 Dec. 2 0 1 0 DOI：10.3901/JME.2010.23.093 表面功能结构制造研究进展* 汤 勇 1 周 明 2 韩志武 3 万珍平 1 (1. 华南理工大学机械与汽车学院 广州 510640； 2. 江苏大学光子制造科学技术中心 镇江 212013； 3. 吉林大学地面机械仿生技术教育部重点实验室 长春 130025) 摘要：表面功能结构制造不同于传统的机械加工，是在工件表面加工制造出各种不同形貌、不同尺度、不同维数并具有不同 功能的结构。表面功能结构涉及学科多，应用范围广，已成为传统高能耗产业节能降耗的有效途径；是高技术产业如微/光电 子、国防、汽车、先进农业机械等进一步提高设备和产品性能的关键；也是促进新兴产业如新能源的发展，增强其自主创新 能力的突破口。表面功能结构的研究已从局部工艺性的加工技术研究逐步发展到多学科交叉的整体性设计、制造科学问题及 其关键技术的研究。表面功能结构种类繁多，根据尺度、维数和功能对表面功能结构进行分类；综述各类表面功能结构的特 点、国内外研究现状以及应用；分析各研究领域存在的问题，并对表面功能结构制造的发展趋势进行预测。 关键词：表面功能结构 微细功能结构 复合/耦合功能结构 中图分类号：F416.4 Recent Research on Manufacturing Technologies of Functional Surface Structure TANG Yong1 ZHOU Ming2 HAN Zhiwu3 WAN Zhenping1 (1.School of Mechanical and Automotive Engineering, South China University of Technology, Guangzhou 510640; 2. Center for Photo Manufacturing Science and Technology, Jiangsu University, Zhenjiang 212013; 3. Key Laboratory of Terrain-Machine Bionics Engineering of Ministry of Education, Jilin University Changchun 130025) Abstract：Different from traditional machining processes, the manufacturing technology of Functional Surface Structure, aims to produce structures of various morphologies, scales, dimensions and functions on machined surfaces. Functional surface structure relates to many disciplines and shows its advantages in many technical applications. It can play a crucial role in promoting energy efficiency and emissions reductions in conventional energyintensive industries, enhancing the performance of the equipments in advanced opto-electronics industry, defense industry, automotive industry and agricultural engineering, and stimulating the development of new industries, e.g. new energy. The research of the functional surface structure is extending from special manufacturing processes to multi-disciplines integrated design, scientific problems and key technologies in manufacturing engineering. Various functional surface structures are classified according to their scales, dimensions and functions, and their specific characters are discussed in detail. The latest research and applications, the challenges and future trends of functional surface structures are also presented and analyzed. Key words：Functional surface structure Micro functional structure Composite / coupling functional structure 0 前言* 表面功能结构制造是近 30 年发展起来的新兴 ∗ 国家自然科学基金资助项目(U0834002, 50930005)。20091215 收到初稿， 20100322 收到修改稿 多学科交叉研究领域。进入 21 世纪，人类面临的能 源危机、环境污染问题日益突出，表面功能结构的 研究已经成为国内外许多学科领域的研究热点。与 传统加工不同，表面功能结构制造是在物体表面加 工制造出具有各种不同形貌、不同尺度、不同维数 和不同功能的结构[1]。表面功能结构种类繁多，形 机 械 工 程 学 报 第 46 卷第 23 期期 94 貌各不相同。按尺度，表面功能结构可分为宏观结 构、亚结构、微结构和纳米结构；按维数可分为一 维结构(如沟槽减阻结构)、二维和三维结构；按功 能，可分为表面附着脱附功能结构、表面热功能结 构、表面反应功能结构、表面光功能结构、表面减 阻功能结构、表面超疏水自洁功能结构、表面生物 功能结构、表面视频隐身功能结构、表面结构色调 整功能结构、表面仿生耦合功能结构等。表面功能 结构应用范围广，涉及学科多，对其他领域具有巨 大影响和渗透作用，也是制造高性能设备和产品的 关键技术之一，已成为传统高能耗产业如电力、石 油、化工等节能降耗的有效途径；是高技术产业如 光电子、微电子、国防、汽车、先进农业机械等进 一步提高设备和产品性能的关键；也是促进新兴产 业如新能源、生物医学工程的发展，增强其自主创 新能力的突破口。国内外学者围绕表面功能结构制 造开展了大量的研究工作，表面功能结构的研究已 从局部工艺性的加工技术逐步发展到多学科交叉的 整体性设计、制造科学问题及其关键技术的研究。 本文对表面功能结构制造的研究现状进行综述，并 对发展趋势进行展望和预测。 1 表面功能结构制造研究现状 1.1 表面附着脱附功能结构 由于壁虎超常的爬行能力，壁虎脚趾表面微细 结构很早就引起人们的关注。近几年来，国际上多 个小组都在以壁虎脚为原型展开研究。SUN 等[2]研 究了壁虎脚趾上的微结构形式，发现了如图 1 所示 的微结构。TIAN 等[3-4]研究了壁虎在表面上的附着 脱附机理，考察了附着脱附现象的应用前景。 图 1 壁虎脚结构 仿生壁虎脚的制备是一个难题，目前主要有以 下两种制备方式：通过聚二甲基硅氧烷(Poly dime- thylsiloxane, PDMS)等成型材料对纳米结构进行复 型；通过对纳米线的控制生长得到类壁虎脚结构。 LEE 等[5]通过复型方法制备了纳米阵列结构，并通 过原子力显微镜测试了这些结构的力学响应，他们 制备出的表面通过若干次试验之后仍能保持原有的 性能，实现了微细功能结构的稳定制备。SETHI 等[6]通过生长类壁虎脚的碳纳米管阵列结构并进行 团簇，制备出如图 2 所示的仿壁虎脚纳米阵列结构， 以达到壁虎脚所特有的附着脱附功能。 图 2 仿壁虎脚碳纳米管阵列结构 目前，在表面附着脱附功能结构制备和研究方 面，主要有两个发展方向：一个是对壁虎脚结构与 运动性能关系的研究；另一个是对壁虎脚仿生制备 的研究。在仿生制备上，需要强调其适用性，保证 制备可行性的同时保证制备材料的力学性能，以保 证结构的稳定性。 1.2 表面热功能结构 20 世纪 70 年代的石油危机，有力地促进了强 化传热技术的发展。迄今为止，强化传热技术在石 油、化工、动力、核能、制冷、微/光电子、国防工 业等领域中得到了广泛应用。强化传热的国际权威 BERGLES[7]将表面热功能结构划分为 3 代：光滑表 面、光通道为第一代传热技术；平翅片、二维粗糙 元、二维肋片等为代表的为第二代传热技术；三维 粗糙元、三维微肋等为代表的为第三代传热技术。 近几年来，在工程中三维强化传热管得到了迅速发 展和广泛应用。三维非连续翅片管按照加工方式可 分为焊接式和整体式两种。整体式翅片管结构紧凑， 极大地降低金属消耗量，并可消除翅片与基管间的 接触热阻，符合换热器紧凑、高效、节能、节材的 发展要求。图 3 是利用滚压／犁削复合加工方法加 工的整体式三维低翅片管[8]，图 4 是利用多刀刨削 加工的整体式三维高翅片管。 图 3 整体式三维低翅片管 月 2010 年 12 月 汤 勇等：表面功能结构制造研究进展 95 图 4 整体式三维高翅片管 关于内翅片管的强化传热，目前仍以沟槽式为 主。图 5 为利用充液高速旋压加工的具有高深宽比 的沟槽管截面图[9]。 图 5 具有高深宽比的直齿矩形沟槽管 (坯管外径 6 mm，壁厚 0.4 mm) 针对当前微电子芯片高热流密度散热问题，文 献[10]设计了一种微小型毛细泵吸环路(Capillary pumped loops, CPL)热控制系统。该 CPL 蒸发器中 含有图 6 所示的多尺度多维交错互通微沟槽翅强化 沸腾结构，强化蒸发器的核态沸腾。 图 6 犁切/挤压成形的交错互通微沟槽强化沸腾结构 微细化是表面热功能结构的一个发展趋势。图 7 是 LITER 等[11]制备的三维多孔强化沸腾结构，其 沸腾极限比平面时增大 3 倍。 图 7 纳米级多孔强化沸腾结构 1.3 表面反应功能结构 氢能由于具有高效、清洁、可再生性，将成为 未来主要能源。氢能利用主要依靠氢燃料电池，移 动或便携式氢燃料电池需要移动氢源，而移动制氢 已成为世界性难题。以醇类液体为原料的催化重整 制氢技术越来越引起世界各国研究人员的重视。具 有表面微结构的金属纤维烧结毡作为新型多孔金属 载体，因特殊的孔隙结构、较大的比表面积和良好 的力学性能，能提高催化剂的催化反应效率，满足 移动氢源体积的微型化，同时又有足够的产氢量， 作为催化剂载体应用越来越广泛。 对于金属纤维烧结毡制备的研究，国外研究机 构如剑桥大学、麻省理工学院、德国弗朗霍夫先进 材料及制造研究所等开展了系列的研究并取得了阶 段性的成果。弗朗霍夫研究所采用熔抽法制备了金 属纤维多孔金属载体，日本研制了用卷曲金属短纤 维压制烧结制成的多孔材料。剑桥大学开发了一种 瞬时液相烧结技术，制成的不锈钢毡在 85%以上的 高孔隙度下，断裂能可达 1 kJ/m2。图 8 为应用在直 接甲醇燃料电池中的不锈钢纤维烧结毡的扫描电镜 (Scanning electron microscope, SEM)图[12]。 图 8 在直接甲醇燃料电池中的不锈钢纤维烧结毡 SEM 图 近年来，中国西北有色金属研究院开发了一系 列不锈钢纤维毡，并在高温气体除尘领域成功应用， 成为最具有竞争力的新型高温气体净化除尘材料。 华南理工大学采用大刃倾角多齿状新型刀具同时切 出多条金属长纤维，并以此纤维为原料利用烧结工 艺制成一种新型高孔隙率大孔径的金属纤维烧结毡 (图 9)[13]。该种金属纤维烧结毡的纤维表面具有多 尺度粗糙形貌特征，这些结构特征有利于催化剂在 负载的过程中吸附到金属纤维的表面和增加催化剂 的黏附强度。目前这种金属纤维烧结毡在甲醇水蒸 气重整制氢微反应器中得到成功应用。 图 9 具有表面微结构的金属纤维烧结毡 机 械 工 程 学 报 第 46 卷第 23 期期 96 1.4 表面光功能结构 目前，表面光功能结构主要有表面光子晶体结 构、太阳能电池表面陷光结构、提高发光二极管 (Light emitting diode, LED)光取出效率的表面结构。 表面光子晶体结构是在表面构建折射率周期 变化的微纳结构，达到控制某一特定波长电磁波的 功能。该结构具有完全光子禁带和光子局域等特征， 可用来降低电磁波传输时的损耗和干扰，提高传输 效率。在光信息传输、电子，以及微机械、微光学 领域有着广泛而重要的应用。1999 年，CUMPSTON 等[14]在《自然》上报道了将飞秒激光束聚焦到丙烯 酸光聚合材料里进行三维制造，制作了具有光子带 隙的微器件(图 10a)，引起科学界的轰动。2004 年， DEUBEL 等[15]在《自然材料》上发表了采用双光子 光聚合方法制备的木堆光子晶体结构(图 10b)，得到 了 1.3～1.7 μm 的光子带隙，该带隙位于通信波段。 2006 年， JOHN 等 采 用 同 样的 方 法 制备 了 3D–2D–3D[16] (图 10c)和 3+1D[17] (图 10d)异质结构 光子晶体，为集成光路和全光计算机时代的到来打 下了坚实的基础。 图 10 飞秒激光双光子光聚合制备的光子晶体及 异质结构光子晶体 如何提高太阳能光电转换效率是太阳能电池 研究的重点，而有效地减少太阳光在硅晶片表面的 反射损失是提高太阳能光电转换效率的一个重要方 法。图 11 是化学腐蚀法加工的表面陷光结构[18]。 化学腐蚀法具有效率高、成本低等优势，但化学腐 蚀法加工的表面陷光结构不能完全可控，难以达到 最优表面结构，而且存在环境污染。因此，探索光 伏晶体表面陷光结构高效、低成本制造方法应是太 阳能电池的重要研究方向之一。 图 11 化学腐蚀法加工的太阳能电池表面陷光结构 提高发光二极管光取出效率的主要方法有采 用半圆形球面、表面织状结构和粗糙面等。一般的 平面 LED 光因临界角的限制不易射出，可做成半圆 形球面，使光不受临界角的限制而射出。使用织状 结构表面或者粗糙表面可以增加光的射出面， DECKMAN和DUNSMUIR将 0.2 µm直径的聚苯乙 烯小球用浸入法或旋转法涂在表面，以帮助其他离 子把表面腐蚀成 0.17 µm 深的粗糙面。织状表面 LED 的光输出比无织状表面结构高很多，外部量子 效率由 9%增高至 30%。WINDISCH 等用直径为 300 nm 及 430 nm 的小球制作了不同深度的粗糙面，430 nm 小球制作的粗糙面比 300 nm 小球制作的粗糙面 的出光量要高，说明粗糙表面对 LED 出光效率有提 高作用。目前，还没有一个公认的、较好的提高 LED 光取出效率的表面结构。因此，研究 LED 光取出效 率较高的表面功能结构及其大规模低成本制造方法 是该领域未来的发展方向。 1.5 表面减阻功能结构 表面减阻功能结构是目前研究得比较多、比较 早的一类表面功能结构。表面减阻功能结构包括表 面疏水减阻功能结构、表面织构减阻功能结构、表 面脱附减阻功能结构、表面减阻降噪功能结构等。 1.5.1 表面疏水减阻功能结构 物体表面的浸润性包括两个方面，即亲水性和 疏水性。通常把与水的接触角小于 90°的表面称为 亲水表面，与水的接触角大于 90°的表面称为疏水 表面。而超疏水表面一般是指与水的接触角大于 150°且滚动角低于 2°的表面。 在微结构对滑移减阻效果影响的研究中， WATANABE 等[19]首先研究表面粗糙度和表面缺陷 对滑移减阻效果的影响。COTTIN-BIZONNE 等[20] 通过分子动力学模拟揭示了微结构表面上的滑移减 阻效果是由于这些缺陷或凹下部位具有气体造成 的，这些间断分布的气体打断了固—液之间的接触， 有利于表面的减阻。OU 等[21]专门就较大结构的超 疏水表面的减阻效果进行了研究，他们所采用的表 面微结构如图 12 所示。他们在这些表面上测量出了 较好的减阻效果，并依此提出了理论滑移长度曲线。 月 2010 年 12 月 汤 勇等：表面功能结构制造研究进展 97 CHOI 等[22]制备了亚微米尺度的微结构阵列表面并 采用与 OU 类似的方法测量了流体在该表面上的滑 移长度，采用的表面结构和试验如图 13 所示。 试验测量得到的滑移长度并不是很明显，而该表面 却具有较大的接触角(145°～150°)。显然，同样疏水 性能的表面，却未必有相同的滑移与减阻效果。 图 12 具有较好减阻效果的超疏水表面结构 图 13 亚微米超疏水表面结构的滑移长度测试 超疏水表面的接触角与滑移减阻效果之间仅 仅是弱相干关系，因此，为适应超疏水表面在实际 中的应用，目前对超疏水表面还增加了滚落角的限 制。GOGTE 等[23]基于滚落角及滚落速度的理念对 他们制备的微结构表面进行了减阻滑移效果的测试 (图 14)，证实了微结构的结构形式和尺寸确实影响 了液滴的下落。江苏大学光子制造中心[24]利用飞秒 激光加工技术在 K9 玻璃表面制备光栅结构(图 15)， 并用流变仪证实了微结构表面滑移的存在，与光滑 表面相比，超疏水表面具有明显的减阻效果，且减 阻效果与流体粘度有关[25]。 图 14 液滴滚落测试法及测试结构 图 15 K9 玻璃表面的光栅结构 表面超疏水减阻功能结构存在两个亟待解决 的难题：一是超疏水表面滑移减阻性能测试方法； 二是超疏水表面接触状态转换，即接触状态的不稳 定性是个难以解决的问题。 1.5.2 表面织构减阻功能结构 传统摩擦理论认为，表面粗糙度影响膜厚均匀 性，对润滑性能带来不利影响。但事实上，很多情 况下，这种想法却与试验结果相去甚远。ETSION 等[26-27]首先通过激光对摩擦副进行织构化处理，考 察其润滑性能的变化，结果发现，带微孔阵列的表 面比光滑表面具有更好的润滑性能。随后，学术界 涌现出了大量对摩擦副表面织构化的研究。 MOURIER 等[28-32]对微结构润滑进行了较为深入的 研究，探讨了表面上微结构的尺度和形式对润滑效 果的影响。王晓雷等研究了如图 16 所示的表面坑 分布对材料摩擦学性能的影响。研究表明，适当的 表面织构，如规则或随机分布的坑、槽等有助于在 接触表面间建立或局部建立动压润滑薄膜，从而达 到减阻效果。 图 16 微孔阵列的织构减阻表面 关于表面织构的制备，邵天敏等提出了基于激 光诱发反应的表面织构制备、基于掩模沉积的表面 织构制备、基于光纤聚焦的微观表面织构制备等 方法。 由于对微结构表面润滑机理的认识还很有限， 难以找到最优的结构形式和结构参数，学者们都在 致力于这方面的研究。进一步研究表面织构的润滑 效应、表面织构区材料的物理机械特性、表面织构 的形状、尺寸、分布对摩擦学系统性能的影响、多 尺度混杂的表面织构及其行为、改进的表面织构制 备技术将是表面织构技术能否真正获得有效应用的 机 械 工 程 学 报 第 46 卷第 23 期期 98 关键因素，因而将得到广泛深入的研究。 1.5.3 表面脱附减阻功能结构 表面脱附减阻功能结构主要有以下几种。 (1) 表面脱附减阻功能结构。农业机械触土部 件表面减粘降阻功能结构。吉林大学自 1990 年起， 从工程仿生学原理出发，进行跨学科的多层次交叉 联合攻关，对农业耕作机具的减粘、脱附和减阻进 行了大量的理论研究与实践工作，发现了有悖于传 统观念的生物非光滑减粘降阻现象，建立起了非光 滑减粘降阻理论。研制出的“仿生非光滑减粘降阻 犁壁”，在不改变现有犁壁生产工艺条件下，通过冲 压工艺和表面热处理在传统犁壁表面获得一定形 状、尺寸和分布形态的非光滑单元体。耕作时，利 用犁壁表面上的非光滑单元体减少土壤与犁壁表面 的接触面积，从而减少了发生化学吸附的吸附点数 量，同时由于非光滑单元体的作用，破坏了水膜的 连续性，因此，起到减粘脱附和降低摩擦阻力的 作用。 (2) 表面柔性防粘脱附功能结构。生物体自身 一部分相对另一部分进行非线性大变形，在外力作 用下有能恢复原位的能力，可称其为生物柔性[33-34]。 柔性体表由几何非光滑结构单元组成，各结构单元 之间或以韧带或以皮肤柔性连接着，结构单元本身 有刚性的(如穿山甲鳞片)、柔性的(如田鼠毛)或弹性 的(如蚯蚓体表)；非光滑结构单元之间能产生相对 转动、移动或膨胀－收缩。将土壤动物体表几何非 光滑结构单元的相对运动实现的柔性称为土壤动物 体表柔性，而把因结构单元的柔性变形产生的动态 非光滑称为柔性非光滑，是柔性与几何非光滑相互 伴随、互为一体的综合行为。柔性非光滑具有防粘 脱附的特性。土壤动物的柔性非光滑特征和防粘脱 附特性的研究，已经成功用于矿车、铲斗、自卸车 的减粘脱土问题中并取得良好的效果[33-35]。基于生 物体表非光滑形态和生物柔性脱附功能，将生物柔 性与非光滑相结合，研制的仿生柔性镇压辊有效解 决了传统镇压辊土壤粘附的技术难题。 (3) 表面电渗脱附减阻功能结构。研究人员在 对土壤动物减粘脱土机理的研究中发现，土壤动物 体表存在生物电系统。以蚯蚓为例，其体表电位主 要源于肌电，可以认为蚯蚓在土壤中运动受到土壤 压力等粘附刺激而引发动作电位，产生负电的生物 电渗作用，导致水向粘附刺激处迁移，形成水膜， 达到减粘脱土的效果。蚯蚓的电渗结构不同于以往 电渗，其正负电极都体现在同一体表面上。把正负 电极在同一运动工作部件表面上的电渗称为表面 电渗。如果表面电渗的电极是在同一个光滑表面的 基准上有规则地或随机地分布若干个形状与大小 大致相同的几何体，形成几何连续表面即几何非光 滑表面，就称之为非光滑表面电渗，蚯蚓体表就可 以认为具有非光滑表面电渗系统。研究表明：非光 滑表面电渗方法对解决地面机械触土部件粘附问 题具有明显效果。 1.5.4 表面减阻降噪功能结构 目前，世界各国都很重视噪声问题，把噪声污 染列为主要的环境污染公害之一。在水中游动的鱼 类或在空气中飞行的鸟类具有低阻力和低噪声特 性。研究发现，这种特性与生物体表的形态密切相 关。仿生表面改形减阻、降噪技术，就是把具备低 阻力、低噪声性能的典型生物的体表形态特征，应 用到实际工程上，使其具有类似的低阻力、低噪声 特性。仿生表面改形减阻、降噪技术按表面形态可 分为：① 波纹、条纹形表面减阻降噪(图 17a)；② 凸、凹非光滑表面减阻降噪(图 17b)；③ 边缘非光 滑结构减阻降噪(图 17c)；④ 柔性表面减阻降噪。 上述这些表面或者边缘仿生改形方法，改变了运动 物体与流体的接触、流动和脱离 3 种过程的流体动 力学和流体声学的特征。目前，公认的结论是，运 动物体的表面和边缘的形态影响了运动阻力和运动 噪声。这里所说的生物体表形态不同于形状，是指 局部的甚至微观的表面结构和形状。目前仿造生物 体表面结构并应用于工程减阻、降噪的研究比较活 跃，某些研究成果已经得到实际应用。 (a) 表面条纹形 (b) 表面凸凹形 (c) 边缘锯齿形 图 17 二元形态仿生风机叶片 1.6 表面超疏水自洁功能结构 由于受到来自荷叶效应的灵感，分析了荷叶的 表面细微结构，发现其表面有许多乳状突起，如图 18 所示。这些肉眼看不见的小颗粒，正是荷叶具有 自洁效应的成因。水珠从荷叶上滚落，可以清除其 上吸附的灰尘颗粒，这便是荷叶的“自清洁效应”[36]。 图 18 荷叶表面 SEM 图 月 2010 年 12 月 汤 勇等：表面功能结构制造研究进展 99 构建类荷叶表面的微细结构大致有以下几种。 (1) 无规则结构的(任意)粗糙表面。其尺寸、形 貌比较难控制，一般通过电化学沉积或刻蚀等手段， 也能直接由低能物质表面固化所得。 (2) 具有规整结构的(设计)粗糙表面。这种微细 结构对于定量研究具有十分重要的意义，通常采用 表面微加工技术首先制得具有表面微细结构、有序 化的无机基底，再进行表面修饰而得到超疏水表 面[37-38]。 (3) 微/纳米的阶层结构。BARTHLOTT 等[36] 发现，荷叶表面微米结构的乳突(平均直径 5～9 μm) 上还存在纳米结构(平均直径 124.3 μm±3.2 nm)。江 雷等[39]因此而制备了同时具有高接触角及低滚动 角的类荷叶状的阵列碳纳米管 (Aligned carbon nanotube, ACNT)膜，如图 19 所示，乳突的平均直 径以及它们之间的平均距离分别为 2.89 μm± 0.32 μm 和 9.61 μm±2.92 μm，纳米管的平均外径为 30～60 μm。这一ACNT膜表面的接触角约为 160°， 滚动角约为 3°，其滚动角要远远小于紧密排列的 ACNT 膜。这是由于固体与液体之间建立了离散的 接触，直接影响三相接触线(液滴落在固体表面上并 达到平衡时气、液、固的三相交界线)的形状、长度 以及连续性，从而使得滚动角大大降低。 图 19 类荷叶阵列碳纳米管膜表面的 SEM 图 超疏水表面既具有疏水、疏油等功能，同时还 能够由液滴带走表面的灰尘、杂质颗粒等污染物， 具有自洁功能，从而可以大大提高材料的防水、防 尘、防油、防酸、防碱等能力。具有超疏水功能的 微结构化仿生表面在各种人造表面如汽车、建筑物 墙面、衣物等以及纺织、微流体传输、医学器械、 石油化工、其他功能微器件等领域得到广泛的应用。 随着对各种微结构功能化材料的广泛开发，仿生超 润湿/自洁功能化技术将在改善材料的防污染、防老 化、抗氧化、抗腐蚀等性能方面发挥巨大的优势。 1.7 表面生物功能结构 随着医学技术的发展，很多疾病可通过人工器 官的替换来解决。但这些人工器官存在着血液相容 性差的问题，在运行过程中需要定期的维护或者更 换，对患者的健康造成了很大的影响。 研究表明，生物材料的表面功能结构是影响细 胞行为的重要因素之一，细胞能够通过“接触诱导” 感应基底材料的表面功能结构，产生强烈的响应。 KEMKEMER等[40]利用沟槽表面可以控制细胞的定 向生长，如图 20 所示。TEIXEIRA 等[41]在光滑表面 及脊宽 70 nm，槽深 600 nm 的沟槽微结构表面分 别种植角膜上皮细胞 12 h 后发现，沟槽表面上的 上皮细胞被拉长了，且沿着沟槽方向生长，而光滑 表面的细胞几乎是圆的，见图 21。由此可见，表面 微细结构对于细胞的粘附、生长等起着重要的作用。 图 20 沟槽微细结构上细胞的定向生长 图 21 角膜上皮细胞在功能表面的种植 对生物材料表面功能结构的仿生制造主要有： 通过表面覆盖涂层或薄膜进行表面改性来提高生物 材料血液相容性，如利用磁控溅射技术沉积无定形 类金刚石薄膜[42]；采用飞秒激光表面处理方法对多 种结构进行构建。 深入研究仿生工程化材料表面功能结构与细 胞之间的相互作用是改进和设计新一代生物材料的 关键。细胞与生物材料表面间的相互作用通过调控 免疫反应和与周围组织的连接强度决定着植入材料 的命运，而材料表面功能结构是影响其相互作用的 一个重要因素。因此，研究各种微结构、纳结构和 微纳复合结构对于组织再生与修复具有潜在应用前 景和意义。 1.8 表面视频隐身功能结构 现代战争中，隐身技术的应用，不仅大大提高 了军事目标的隐蔽性能，而且增强了武器的突防和 攻击能力。随着隐身技术研究的不断深化和现代战 争对武器提出的全天候作战要求，以往不是很重要 的视频隐身也提到日程上来，并日益得到重视。采 用雷达隐身技术的美国 F-117 战斗轰炸机黑夜隐身 机 械 工 程 学 报 第 46 卷第 23 期期 100 性能好，但在白天，用肉眼/光学仪器就能看到这种 以天空为背景的黑色飞机，而不需要雷达就能瞄准。 为此，美国等发达国家极其重视视频隐身技术的研 究，目前正在大力开展特殊照明系统、适宜的涂色、 奇异的蒙皮、电致变色材料和烟幕伪装等视频隐身 技术的研究工作[43]。 动物体表彩色如隐蔽色、眼斑、警戒色和变色 等生物色是在长期生物进化过程中为了逃避天敌、 捕捉猎物或展示自身艳丽而自然形成的。研究其结 构光机理对于视频隐身材料的仿生设计和制造具有 重要的学术参考价值。将酒精填充到绿带翠凤蝶翅 面蓝色鳞片区域，发现蓝色区域颜色瞬时改变成绿 色，最后又还原成蓝色。图 22 为酒精作用下绿带翠 凤蝶蓝色鳞片变色现象瞬时图。应用扫描电子显微 镜观察绿带翠凤蝶后翅的蓝色鳞片表面的微观结 构，发现其表面规律分布有凹坑状四面体型非光滑 单元体，且非光滑单元体由两类多层薄片结构组成， 一类是由 10～12 层等厚等间距左右交错分布的塔 状平行薄片层组成的多层结构；另一类是由 8 层等 厚等间距连续的近乎水平平行薄片层组成的多层结 构，如图 23 所示。可见光经过鳞片的凹坑状多层薄 膜反射结构与填充介质时，由于介质的折射率不同， 引起了一定波长的光波发生干涉，形成相应波长的 颜色[44-45]。 (a) (b) (c) (d) (e) (f) 图 22 酒精作用下绿带翠凤蝶蓝色鳞片变色现象瞬时图 图 23 绿带翠凤蝶后翅蓝色鳞片扫描电镜图 仿蝴蝶鳞片多层薄膜结构的仿生耦合结构模 型虽然可以为视频仿生隐身材料的设计提供参考， 但是许多细节的内容还需要进一步的优化；蝴蝶鳞 片的形态、结构和填充介质的耦合作用对其光学性 能的影响规律尚需进行深入研究，以探索视频仿生 隐身材料新的设计原理和方法；研究蝴蝶鳞片的形 态、结构和光学性能是为了最终能够设计和制备视 频仿生隐身材料，进行视频仿生隐身材料的制备研 究将具有更重要的实际意义。 1.9 表面结构色调整功能结构 蝴蝶翅膀上绚丽多彩的颜色很多年前就引起 了科学家的关注，人们通过大量研究发现，蝴蝶翅 膀表面的颜色源自其表面的周期性结构[46]。人们根 据这一发现，在金属表面构建微细结构，从而改变 其颜色。VOROBYEV等[47]利用超短高强激光脉冲 处理金属，导致金属表面发生变化，形成了呈单色 或彩色的纳米微结构。图 24 为用这种方法加工出的 金色的铝、蓝色的钛和金色的铂。 图 24 金色铝、蓝色钛和金色铂 后来，他们用激光束处理金属铝，在该表面创 造出能够吸收几乎所有光线的纳米结构，可让普通 铝块变成至今所创造出来最暗的材料之一；又用飞 秒激光器在金属表面加工出诸如洼坑、小珠状和细 线状等纳米结构，这些结构能选择性地反射某种颜 色以显现特定颜色或其他颜色的组合。此外，研究 小组还通过在金属表面加工出规律的微细线条，致 使不同波长的反射光线在不同的方向上发生不同的 干涉现象，获得了彩虹般的鲜艳颜色。 1.10 表面仿生耦合功能结构 生物体的耦合广泛存在，常见的如生物体特定 表面自清洁功能的实现，荷花的叶表适应性进化形 成了表面植物蜡、微米与纳米突起的表面形态，从 而通过材料、形态、结构的耦合作用实现了表面自 清洁功能；环毛蚯蚓脱附减阻功能的实现，是由于 其长期生活在黏湿的土壤环境中，为使其在土壤中 蠕动时不粘土而行动自如，而将体表分泌的黏液、 生物电系统、呈环节状的蚯蚓机体柔性和体表非光 滑形态等协调一致形成脱附减阻的耦合体系。生物 体为了适应自然环境和满足生存的需要，其特定功 能，如减阻、耐磨、自清洁等的实现是通过生物体 多系统间的耦合作用而得以实现的，即生物体的不 同形态、结构、材料等，通过彼此之间耦合作用而 达到生物功能最优化和能量消耗最低化。生物耦合 理论和仿生耦合理论同样也适用于减粘、脱附等各 类问题的研究中，不同应用领域中多耦元的主、次 元分析及其之间的耦联关系分析是下一步研究的 重点。 月 2010 年 12 月 汤 勇等：表面功能结构制造研究进展 101 2 表面功能结构应用 表面功能结构应用范围广，涉及学科多，难以 一一列出，下面就一些典型的应用介绍如下。 2.1 传统高能耗产业中的应用 换热器是能量传递的基础设备，是电力、石油、 化工、冶金、制冷等高耗能行业的关键设备，量大 面广。如在炼油、化工装置中换热器占总设备数量 的 40%。而我国目前能源利用率偏低，约为 34%， 与世界先进水平的 58%(日本)相比，还有很大的差 距。所以，开发高效率的换热器是传统高能耗行业 节能降耗的关键之一。图 25 是基于华南理工大学研 制的整体式三维翅片管的管壳式换热器。该换热器 与基于整体式二维翅片管的管壳式换热器相比，系 统换热效率提高 20%以上。因此，表面热功能结构 对于传统高能耗产业的节能降耗起到关键性作用。 图 25 花瓣形翅片管管壳式换热器 2.2 高技术产业中的应用 图 26 为华南理工大学利用充液高速旋压加工 的具有高深宽比的沟槽管，该坯管外径为 6 mm， 壁厚 0.4 mm，能在内壁加工出 55～72 个齿，沟槽 深度达 0.3 mm。利用该沟槽管制造的沟槽式热管单 根传热功率达 80 W，是光管热管传热功率的 4 倍。 该沟槽式热管已应用于高热流密度微电子芯片和大 功率 LED 的散热，已批量化生产。 图 26 具有高深宽比的直齿矩形沟槽管 沟槽减阻降噪有很好的可靠性和可应用性，国 外已将研究拓展到工程实用阶段。在 NACA0012 翼 型、CAST7 翼型、ADA-S1 翼型等机翼表面部分区 域布置沟槽面，在不同马赫数和攻角范围内得到了 6%～16%的减阻效果。空中客车公司将 A320 试验 机表面积的 70%贴上沟槽薄膜，收到了节油 1%～ 2%的效果。表面条纹薄膜在水中具有较明显的降噪 效果，最大降噪量可达 5 dB[48]。 利用激光在 4Cr3Mo2NiVNb 模具钢表面加工 出具有各种形态和分布间隔的非光滑单元体。研究 结果表明，非光滑表面试样耐磨性均优于光滑表面 试样[49]。 以内燃机活塞与缸套系统、齿轮为代表，研究 与开发提高运动副工作表面耐磨性的多元仿生减摩 耐磨技术及功能材料。通过多种表面处理方法，在 内燃机活塞与缸套(图 27)、车辆传动齿轮等磨损严 重的关键部位，加工出具有非光滑效应的耐磨形态 表面，提高其耐磨性和抗疲劳性。利用激光雕刻技 术，在轧辊(图 28)、制动盘(毂)、钻探钻头等部件 表面加工仿生非光滑形态，使它们不仅具有常规激 光处理的优点，而且具有仿生非光滑结构特有的优 点，大幅度提高了部件的表面强度和抗磨性能。 图 27 内燃机仿生活塞缸套 图 28 仿生耐磨轧辊 2.3 先进农业机械方面的应用 将脱附减阻仿生技术应用于犁壁(图 29)、圆盘 犁犁体以及深松机具工作部件等农业机械触土部 件，已取得显著经济效益和社会效益。试验及田间 运行结果表明，仿生非光滑减粘降阻犁壁可比普通 犁壁减少油耗 5.6%～12.6%，降低犁耕阻力 15%～ 18%，具有良好的减粘降阻效果。仿生柔性镇压辊 机 械 工 程 学 报 第 46 卷第 23 期期 102 (图 30)，有效解决了传统镇压辊土壤粘附的技术难 题。以田鼠[50]、达乌尔黄鼠、蝼蛄、金龟子等动物 的足趾为仿生对象，对深松机具工作部件——深松 铲的齿顶轮廓线和外缘轮廓线形状等进行了仿生设 计(图 31)，与同类深松机具相比，仿生深松铲的工 作阻力降低 8%～12%，节约能源消耗 8%～10%[51]。 图 29 仿生犁壁 图 30 仿生柔性镇压辊 图 31 仿生深松铲 运用非光滑表面电渗理论设计并研制的铲斗 (图 32)，脱土效果几乎达 100%，可提高技术生产率 34%，并能减少推土阻力，有效地降低能耗。其通 电电压仅为 12 V，通电电流在 0.12 A 左右，实现了 低压高效减粘脱土效果。 (a) 铲斗 7 次循环作业后粘附情况 (b) 铲斗电渗工作时粘附情况 图 32 铲斗作业时土壤粘附情况对比 2.4 新能源产业方面的应用 基于化学腐蚀加工的硅晶片陷光表面结构已 广泛应用于太阳能电池，以提高其光电转换效率。 图 33 表示硅晶片陷光表面结构应用于光伏发电。 图 33 硅晶片陷光表面结构在光伏电池发电中的应用 便携式在线氢源的研制方面，多尺度微通道(图 34a)及其层叠微通道薄板(图 34b)在甲醇重整制氢 微反应器(图 34c)中取得成功应用。相比传统工业制 氢装置，微反应器的尺寸压缩两个数量级。 图 34 基于微反应结构的直接甲醇重整制氢微反应器 3 表面功能结构发展趋势 虽然国内外在表面功能结构方面的研究和应 用较多，但比较分散且缺乏系统性的理论研究，目 前还不能为表面功能结构具体应用提供完善的理论 指导，一般只能根据经验确定结构参数。因此，揭 示表面功能结构的新规律，提出新的制造理论和方 法，对提升我国光电子、微电子、国防、汽车及机 械制造业的竞争力是至关重要的。 从目前的研究趋势来看，按功能要求设计表面 功能结构，然后根据结构形状进行制造是该技术领 域发展的方向，改变过去根据经验确定表面结构参 数的状况，实现根据功能需求设计结构参数的目的。 另外，微结构及纳米结构条件下，表面功能结构表 现出有别于宏观结构的特殊作用，如表面均布的半 球冠状柱纳米结构具有很大的表面张力，还须更进 一步深入认识。目前对表面微纳米结构的认识仅停 留在局部和低层次，产生这些特殊功能的实质以及 月 2010 年 12 月 汤 勇等：表面功能结构制造研究进展 103 与宏观结构作用机制的区别等，都有待进一步研究， 也是未来研究的方向。 表面功能结构制造所需研究并解决的共性问 题主要包括：表面功能结构特征的表征、加工和成 形过程的数字建模和仿真、根据功能需求设计结构 参数并在加工过程中控制其形成；揭示表面功能结 构的新规律，提出新的设计、制造理论和方法。当 前，表面功能结构发展有两种趋势，一是从宏观结 构向微结构、纳米结构发展；二是表面功能结构复 合化。因此，揭示复合表面功能结构、微结构及纳 米结构条件下表现出有别于单一的、宏观表面功能 结构的特殊作用机理，提出相应的制造方法、建立 相关理论亦是未来的重要发展方向。 4 结论 进入 21 世纪，人类面临的能源危机、资源短 缺、环境污染问题日益突出，以及人们对产品质量 和多样化的无限追求，极大地促进了表面功能结构 制造的发展，并对表面功能结构制造提出了更多的 挑战。同时，表面功能结构制造的发展推动了相关 学科领域的发展，改变了人们某些惯有的认识或思 维方式。表面功能结构制造的发展趋向于微细化、 多尺度复合或多功能结构耦合；根据功能需求设计 表面功能结构形式并研究相应的制造方法控制其形 成是未来的发展趋势；揭示微细结构、复合和耦合 结构的特殊作用规律，提出新的制造方法和理论亦 是表面功能结构发展的需要。 参 考 文 献 [1] 雷源忠，吴锡兴，盛晓敏，等. 机械工程学科发展报 告(2008-2009)—机械制造[R]. 北京：中国科学技术出 版社，2009. LEI Yuanzhong，WU Xixing，SHENG Xiaomin，et al. Report on advance in mechanical engineering (2008-2009)—mechanical manufacturing[R]. Beijing： China Science & Technology Press，2009. [2] SUN W X，NEUZIL P，KUSTANDI T S，et al. The nature of the gecko lizard adhesive force[J]. Biophysical Journal：Biophysical Letters，2005，89(2)：L14-L17. [3] TIAN Y，PESIKA N，ZENG H B， et al. Adhesion and friction in gecko toe attachment and detachment[J]. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America， 2006，103(51)：19320-19325. [4] ZHAO B X，PESIKA N，ROSENBERG K，et al. Adhesion and friction force coupling of gecko setal arrays：Implications for structured adhesive surfaces[J]. Langmuir，2008，24(4)：1517-1524. [5] LEE H，LEE B P，MESSERSMITH P B. A reversible wet/dry adhesive inspired by mussels and geckos[J]. Nature，2007，448(7151)：338-342. [6] SETHI S，GE L H，CI L J，et al. Gecko-inspired carbon nanotube-based self-cleaning adhesives[J]. Nano Letters， 2008，8(3)：822-825. [7] BERGLES A E. ExHFT for fourth generation heat transfer technology[J]. Experimental Thermal and Fluid Science，2002，26(2-4)：335-344. [8] TANG Y，XIA W，LIU S D，et al. Fin formation model during pre-roll ploughing of copper 3D outside fin tube[J]. Trans. Nonferrous Met. Soc. China，2001，11(5)： 712-716. [9] TANG Y，CHI Y，CHEN J C，et al. Experimental study of oil-filled high-speed spin forming micro-groove fin-inside tubes[J]. International Journal of Machine Tools & Manufacture，2007， 47(7-8)：1059-1068. [10] 池勇，汤勇，陈锦昌，等. 微小型毛细泵环热控制系 统及其制造技术[J]. 机械工程学报，2007，43(12)： 166-170. CHI Yong，TANG Yong，CHEN Jinchang， et al. Miniaturized capillary pumped loop heat contrilling system and its manufacturing technique[J]. Chinese Journal of Mechanical Engineering，2007，43(12)： 166-170. [11] LITER S G ， KAVIANY M. Pool-boiling CHF enhancement by modulated porous-layer coating：Theory and experiment[J]. International Journal of Heat and Mass Transfer，2001，44 (22)：4287-4311. [12] LIU J G，SUN G Q，ZHAO F L，et al. Study of sintered stainless steel fiber felt as gas diffusion backing in air-breathing DMFC[J]. Journal of Power Sources，2004， 133(2)：175-180. [13] TANG Y，ZHOU W，PAN M Q，et al. Porous copper fiber sintered felts：An innovative catalyst support of methanol steam reformer for hydrogen production[J]. International Journal of Hydregen Energy，2008，33(12)：2950-2956. [14] CUMPSTON B H，ANANTHAVEL S P， BARLOW S， et al. Two-photon polymerization initiators for three- dimensional optical data storage and microfabrication [J]. Nature，1999，398(6 722)：51-54. [15] DEUBEL M，VON FREYMANN G，WEGENER M， et al. Direct laser writing of three-dimensional photonic- crystal templates for telecommunications[J]. Nature Materials，2004，3(7)：444-447. 机 械 工 程 学 报 第 46 卷第 23 期期 104 [16] DEUBEL M，WEGENER M，LINDEN S，et al. 3D- 2D-3D photoni