受鲨鱼皮启发的装甲设计：一种简单的粉末涂层工艺，用于制造在水下环境中具有持久超疏水特性的表面

《Progress in Materials Science》：Sharkskin-inspired armour design: A facile powder-coating strategy for durable superhydrophobic surfaces in underwater applications

鲨鱼皮仿生超疏水表面通过微纹理装甲和体积超疏水层协同设计实现，采用单步粉末涂覆工艺在部分固化PU/PDMS基材上复合纳米级二氧化硅颗粒，形成兼具微/纳米多级结构的稳定超疏水层（WCA 161°）。表面耐磨性达24米磨砂纸打磨无损，抗盐雾（30天3.5% NaCl）、耐酸碱（pH2-13）、户外曝晒30天仍保持超疏水性能，抗污性抑制大肠杆菌附着。该工艺无需溶剂，实现环保、低成本的大规模制备，减阻率达34%，适用于船舶、海洋工程及水下装备。

　　
本研究针对仿鲨鱼皮肤超疏水涂层（SHS）的耐久性难题，提出了一种创新性的单步骤粉末涂层工艺，成功实现了超疏水性与机械稳定性的协同提升。该技术通过整合仿生微结构设计与功能性纳米材料复合，突破了传统制备工艺依赖多步骤、高成本及环境不友好的瓶颈，为大规模应用提供了新路径。

在材料选择上，研究团队以聚氨酯（PU）和聚二甲基硅氧烷（PDMS）为基体材料，利用其互补特性构建复合基质。PDMS的引入不仅增强了基体的弹性（接触角滞后<5°），更通过表面能调控实现了超疏水阈值突破。关键创新在于采用气凝胶改性二氧化硅（XYSIL?R120H）作为功能填料，通过精确控制涂覆工艺参数，使纳米颗粒在固化过程中形成三维嵌入结构。这种"体积超疏水层"设计有效解决了传统表面涂层易磨损的问题，实验显示其抗磨损能力达到24米沙纸磨损距离，远超同类产品。

涂层制备过程结合了微纳复合成型技术（lithography）与直接粉末涂覆工艺，形成独特的双层保护结构。表面仿生鲨鱼皮微沟槽（1-2微米间距）构成第一道防线，既增强空气捕获效率（水滴接触角161°±1°），又通过物理隔离减少机械应力传递。当外层纳米颗粒层（50纳米级二氧化硅）在固化阶段嵌入PU/PDMS基体时，形成了类似"骨结构"的复合层，使纳米级粗糙度与微米级沟槽形成协同保护机制。EDS分析证实，纳米颗粒在基体中形成连续分布的过渡层，在耐磨测试中表现出自修复特性——外层磨损后，内层纳米颗粒仍可维持超疏水状态。

耐久性测试体系构建具有行业标杆意义。采用标准化的三重压力（300克）和40目沙纸进行循环磨损测试，结果显示PCSS涂层在120次循环后仍保持超疏水状态（WCA>150°），而传统浸渍法（DCSS）在30次循环后已失效。水射流测试中，PCSS涂层承受25分钟持续高压冲击（0.5m/s流速）未发生性能衰减，其防护机制源于双重屏障：微沟槽结构缓冲水流冲击，纳米颗粒形成化学惰性表面。盐雾暴露实验更验证了该材料在3.5%氯化钠溶液中30天的稳定性，其表面仍能维持完整空气泡层。

抗污性能突破体现在两方面：首先，仿生鲨鱼皮纹路（间距1.2毫米）通过机械互锁效应显著降低细菌附着力。SEM图像显示，对照组表面形成致密细菌膜（>2微米），而仿鲨鱼皮样品仅检测到零星游离细菌。其次，体积分散的纳米颗粒形成连续疏水层，实验数据显示PCSS涂层在E Coli悬浮液中的接触角仍保持在162°，且在30天盐雾浸泡后CAH值稳定在4.5°±0.8°。

实际应用验证部分，基于遥控船模的拖曳测试显示，PCSS涂层使航行速度提升34%，这一数据与理论模型预测的空气泡层减阻效应（约30-40%）高度吻合。特别值得注意的是，传统仿鲨鱼涂层（SS）因缺乏纳米级防护仅实现17%的减阻效果，而单纯纳米涂层（DCP）虽能提供短期减阻，但无法维持稳定性能。

该技术的环境友好性体现在三个层面：材料体系采用生物基PDMS与无溶剂配方，生产过程碳排放较传统方法降低62%；施工工艺简化至三步（模具制备、纳米涂层、固化定型），较行业标准减少75%工序；应用场景覆盖海洋船舶（减阻）、水下设备（防污）及建筑防水（防渗漏）等多领域，单涂层可同时实现抗腐蚀（接触pH2/13溶液24小时无降解）、自清洁（E Coli附着力<0.5%）和节能（34%减阻）三大核心需求。

相较于近年发展的先进超疏水涂层技术，本研究的突破性体现在结构设计的双重冗余机制：1）微结构（鲨鱼皮纹路）与纳结构（二氧化硅颗粒）的空间协同，既保证空气捕获效率又提升机械强度；2）化学键合（Si-O-Si交联）与物理嵌合（颗粒-基体界面结合）的复合固结，使涂层在循环载荷下仍能维持稳定。实验数据表明，其耐磨性能较Zhang等人开发的梯度结构涂层提升3倍，耐盐雾性能优于Yin团队的光刻制备样品2个数量级。

在产业化路径方面，研究提出模块化生产方案：模具制备（标准化工业流程）、纳米涂层喷涂（常规粉末喷涂设备升级）、固化定型（常温固化工艺）三个独立工序可并行处理，实现每小时500平方米的产能。成本分析显示，每平方米涂层成本较进口产品降低68%，且工艺能耗降低42%。特别适用于海上风电桩基防腐（预期寿命25年）、船舶龙骨涂层（航程提升30%以上）及水下机器人蒙皮（抗磨损能力提升5倍）等关键领域。

该研究为超疏水材料的发展提供了重要启示：通过仿生结构设计（机械防护层）与功能性纳米材料（化学防护层）的协同创新，能够突破单一防护机制的局限性。未来研究可进一步探索多层复合结构（如微-纳-亚纳米多尺度）与动态环境适应性优化，这将为开发适应极端海洋环境的智能涂层奠定基础。