基于Salvinia仿生的芳纶纤维表面水下减阻与降噪性能研究

为解决水下航行体表面摩擦阻力大、空气层稳定性差等问题，研究人员受Salvinia叶片亲水微图案启发，通过两步喷涂法制备了具有亲水微图案的纤化超疏水芳纶纤维表面(FSAF@HM)。该表面在1 m/s流速下减阻率达25.33%，且能维持长期稳定的空气层，同时具备0.42@1000 Hz的吸声系数和自清洁特性，为船舶减阻降噪提供了可规模化生产的解决方案。

　　

水下航行体的速度提升一直是海洋工程领域的核心挑战。船舶和潜水器表面与水流的摩擦不仅限制航速，更导致高达70%的能耗。传统减阻技术如聚合物添加、超空化等存在环境负担或实施难度大的缺陷，而超疏水表面(SHS)虽能通过空气层产生滑移效应，却面临空气层稳定性差、规模化制备困难等瓶颈。自然界中Salvinia植物叶片独特的"亲水尖端-超疏水基底"结构（Salvinia效应），为破解这一难题提供了灵感。

中国的研究团队在《Progress in Organic Coatings》发表研究，通过两步喷涂法将芳纶纤维非织造布与亲水/疏水二氧化硅(SiO₂)结合，构建了仿Salvinia的纤化超疏水芳纶纤维表面(FSAF@HM)。关键技术包括：1）静电植绒结合旋涂制备纤维基底；2）亲水SiO₂(20-300 nm)与疏水SiO₂(500 nm)的图案化喷涂；3）水隧道实验测试减阻率；4）阻抗管法测量声吸收系数。

表面形貌分析
通过SEM观察到FSAF@HM成功复现了Salvinia叶片的"爪状纤毛"结构，纤化的芳纶纤维形成多级粗糙度，接触角达162°。XPS证实亲水SiO₂选择性分布在纤维尖端，模拟天然Salvinia的亲水锚定点。

减阻性能
水隧道测试显示：1 m/s流速下减阻率25.33%，5 m/s时仍保持6.42%。循环实验证明性能稳定，归因于亲水微图案通过钉扎效应固定气-液界面，而超疏水基底减少涡流耗散。静态水下空气层可维持>30天，远超普通SHS的72小时。

声学性能
纤维的微纳米结构将声吸收系数提升至0.42@1000 Hz，比传统芳纶材料提高210%。机理在于纤化处理增大了比表面积，增强声波在多孔结构中的粘滞耗散。

自清洁特性
藻类附着实验表明，稳定的空气层能有效阻隔水下生物污损，48小时后藻类覆盖率<5%，而对照组达90%。

该研究通过仿生设计实现了"减阻-降噪-防污"多功能集成，其简易的喷涂工艺突破3D打印等技术局限，具备工业化应用潜力。FSAF@HM为开发新一代水下装备表面涂层提供了新范式，相关技术已申请中国国家重点研发计划(2024YFC3015702)支持。Xiangyu Yang等作者强调，这种"自然启发-材料创新-工程转化"的研究路径，可拓展至海洋防腐、微流体控制等领域。