学术摘要及综述：

一、研究主要作者与机构、期刊及发表时间

本文标题为《A laser-induced superhydrophobic surface with multiple microstructures for stable drag reduction》，发表在期刊《Surface & Coatings Technology》上，期刊卷号为490（2024），文章编号为131181，在线发表时间为2024年8月2日。文章的主要作者包括Jiangpeng Qu、Pengcheng He、Ruoyu Sun、Kaijun Huang、Jing Zhao（通信作者）以及Jiliang Mo。作者分别来自中国的西南交通大学机械工程学院和上海海事大学商船学院。

二、研究背景与目的

该研究属于材料科学（Materials Science）与流体力学（Fluid Mechanics）的交叉领域，侧重于通过表面微结构设计和超疏水涂层技术解决船舶航行中的水阻问题。当前全球约80%的国际贸易依靠海运，而航行过程中，约85%的能量消耗用于克服水阻，其中摩擦阻力占比高达80%。因此，研究如何有效降低摩擦阻力是提升能源效率的重要课题。

按照现有研究，阻力减少（Drag Reduction）的方法较多，包括空气润滑技术、生物模仿喷射流技术、表面微结构设计以及超疏水技术等。然而，这些方法在实现规模化低成本应用时存在难题。例如，空气润滑技术需要复杂的气体喷射设备，而生物模仿技术成本高昂且难以普适推广。相比之下，超疏水表面（Superhydrophobic Surfaces）由于可自主形成水下气层，受到广泛关注。此外，在高湍流条件下单靠超疏水表面面临气层耗散和涡流干扰问题，研究表明结合表面沟槽结构（Groove Structures）可进一步提升阻力减少效果。因此，该研究旨在通过激光加工技术联合超疏水涂层构建多层次微结构表面，实现稳定且显著的减少船舶阻力的性能优化目标。

三、研究过程与方法详解

（1）样品材料选择与实验设计

实验基底材料选择了1060铝板（100 × 100 × 1 mm³），具有广泛的工业应用背景，特别适用于轻量化船舶设计。超疏水涂层则通过混合Octadecyltrichlorosilane（OTS）、二氧化硅（SiO₂）纳米颗粒和去离子水制备。这种涂层的化学稳定性、接触角稳定性等成为后续性能的重要支撑。

（2）表面微结构设计与激光加工

采用Grace X激光系统通过 ablation（激光烧蚀）技术对铝基板表面进行加工，生成具有不同尺寸的沟槽。激光过程在沟槽底部形成多孔结构，同时熔融材料再堆积在肋条（Ribs）的顶部形成硬质突起。沟槽宽度和间距的设计（80-280 µm宽度与120-360 µm间距）经过优化，以实现最佳性能。

加工后的表面样品通过乙醇超声清洗后晾干，随后进行喷涂超疏水涂层。采用喷枪均匀覆盖涂层，最后在室温下干燥制备成品，定义为Superhydrophobic Grooved Surface（SHGS）。

（3）表征与测试

表面特性首先通过扫描电子显微镜（SEM）和能量分散 X 射线光谱仪（EDS）分析了表面的微观形态、化学元素分布以及氧化铝的形成机理。进一步通过接触角（WCA）和滑动角（WSA）测试评估样品的超疏水性能。动态光接触角设备测得SHGS表面WCA达到156.9°，而滑动角低至0.76°，证实涂层具有极佳疏水性能。

（4）阻力减少实验

使用自制的平板水阻测试装置开展对比实验。水从5°倾角处喷出，依次流经光滑铝基板（APS）、仅涂层表面（SHS）和SHGS表面。通过记录应变计数据测算表面摩擦阻力，并计算阻力减少率（Drag Reduction Rate）。研究在不同雷诺数（Reynolds Number）条件下观察流体流态，涵盖2×10⁵到5×10⁵范围，以分析低速（层流）及高速（湍流）条件下的表面性能。

（5）耐久性与抗腐蚀性测试

耐久性通过砂纸磨损、胶带粘附及划痕测试评估；抗腐蚀性则通过盐雾测试、长期水浸测试及极端pH值环境实验。所有性能均采用多轮循环实验以模拟长期应用条件。

（6）抗污性能评估

通过滴水实验测定样品的抗污性能。在表面撒布泥沙后使用去离子水冲洗，观测泥沙能否被快速清除并比较不同表面的清洁效果。

四、主要研究结果

（1）超疏水涂层的特性与效果

通过OTS和SiO₂纳米颗粒制备的涂层表现出良好的化学稳定性和超疏水性，其水接触角超过156°，在不同水体环境下能够自组装形成气层。

（2）最佳阻力减少设计

在雷诺数为5×10⁵时，宽度200 µm、间距300 µm的沟槽设计可实现66.57%最高阻力减少率，显著优于单纯超疏水表面（SHS）。细致分析表明，沟槽结构限制造成漩涡与表面接触，并有效提升整体气层稳定性。

（3）耐久性与抗腐蚀性

实验显示，SHGS相比SHS对机械磨损展现了出色的耐久性能，其耐磨长度和抗粘附周期延长至520cm和200次；在高盐、高酸、高碱环境中表现出出色的抗腐性能，适合在海洋环境中长期使用。

（4）抗污性能

SHGS表面具有卓越的抗污能力；泥沙在表面附着后可迅速通过水滴冲刷移除，显著优于传统平滑表面（APS）。

五、研究结论与科学价值

该研究首次通过激光加工技术将沟槽结构与超疏水涂层相结合，有效提升了低雷诺数条件下的水阻减少性能，并在高湍流条件下仍能保持较高的阻力减少率。研究同时强调了表面结构在拖曳力控制中的协同效应，为相关设计提供了全新的理论与技术路径。

这种创新的表面设计不但科学上具有重要价值，为船舶轻量化与能效优化提供解决方案，同时为工业领域的摩擦控制、水动力优化等问题提供了启发性见解。

六、研究亮点

1. 创新性地将超疏水涂层与激光加工微结构相结合；
2. 在高湍流环境下实现了超过66.57%的阻力减少；
3. 杰出的耐久性与抗腐性能拓展了实际场景的适用范围；
4. 提供了一种简单、高性价比的表面改性方法。

七、未来展望

本研究建议后续可探索更高硬度材料（如钢）的表面加工技术，同时优化涂层配方以进一步提升防腐与抗磨性能。此外，研究成果可以在工业设备表面、流体动力学工程中开辟全新应用视角。