在浩瀚的海洋上，30 萬噸超大型油輪宛如一座座移動的鋼鐵城堡，承載著全球經濟的命脈。然而，這些巨輪的航行也消耗著大量的能源，并對環境產生不可忽視的影響。如今，一種創新的仿生柔性減阻材料的應用，正為這些海洋巨人帶來革命性的改變。


一、船用仿生蒙皮減阻節能技術的應用：超大型油輪的綠色之旅


1、首次應用于 30 萬噸超大型油輪


首艘安裝寧波材料所和中遠海能聯合研發的仿生蒙皮螺旋槳的 30 萬噸級超大型油輪，近日順利完成 3 個航次的原油運輸任務后靠泊泉州港碼頭。這是國際上首次將仿生柔性減阻材料應用于如此規模的油輪。


2、顯著的節能效果


在長達近 200 天、里程逾 3.5 萬海里的航行中，航線往返于中國沿海和中東各大港口。監測數據顯示，螺旋槳表面敷設仿生蒙皮后，實船油耗下降約 2%。按此計算，一艘超大型油輪每年可節約燃油 300 噸以上，直接經濟效益在 100 萬元以上，減少二氧化碳排放量 900 噸以上。


3、嚴格的認證與合規


該仿生柔性減阻材料在實船應用前取得了中國船級社產品認證，滿足控制船舶有害防污底系統國際公約要求，確保了其安全性和環保性。



二、仿生蒙皮的技術創新點


仿生蒙皮，即參照海豚皮的物理和化學特性，通過人工合成方法，制備出的具有類似海豚皮特征的人造材料。項目研究人員巧妙地將具有仿海豚皮特征的蒙皮材料應用于巨型油輪的螺旋槳表面，以提高螺旋槳推進效率。巨型油輪螺旋槳效率隨載貨量和航速變化而變化，通常為60%至70%之間。船用發動機在驅動螺旋槳旋轉時，能耗的約70%轉化為推力，約15%消耗于螺旋槳剪切水做功，剩余約15%則消耗于螺旋槳反推力對水做功。


眾所周知，海豚、鯊魚等海洋生物在海里游動時具有極低的阻力，主要由于其表面的微結構、柔彈性和表面粘液分泌特性。海豚表皮在水流作用下，形成微結構，產生微渦流，將水流與表皮的滑動摩擦轉變為滾動摩擦；結合表皮粘液的潤滑特性，有效降低水流的湍流動能，降低水與表皮之間的剪切力。


對于人造的仿生減阻材料而言，表面微結構和柔彈性易于實現，但要模仿海豚表皮長期粘液分泌的特性，則相對比較困難，“類液態”材料有效解決了這一問題。



1、模仿海豚皮膚的特性


仿生蒙皮通過精細的工藝，模仿了海豚皮膚的微觀結構。這種微觀結構能夠有效地減少水流的阻力，提高能量的利用效率。


2、降低水阻力的機制


其表面的微結構能夠產生微渦流，將水流與表皮的滑動摩擦轉變為滾動摩擦，結合表面特性有效降低水流的湍流動能和水與表皮之間的剪切力。


3、材料的獨特優勢


由具有“類液態”特征的動態界面材料與具有特定尺寸微結構的柔性材料耦合而成，既保持了固體材料的強度，又能達到類似于“粘液”的滑移特征，據研究人員介紹，仿生蒙皮正是由具有“類液態”特征的動態界面材料與具有0.1-0.2毫米尺寸微結構的柔性材料耦合而成，敷設于螺旋槳表面后，能夠降低螺旋槳與水之間的剪切力，并減少反推力對水的做功，進而提高了螺旋槳效率，降低了能耗。


三、仿生蒙皮在超大型油輪上的應用前景


1、船隊推廣的潛力


鑒于船用仿生柔性減阻材料在實船上取得的良好節能減排效果，中遠海能計劃將該減阻材料推廣至旗下的 100 余艘油輪船隊，這將帶來顯著的經濟效益和環境效益。


2、行業引領的意義


該應用有望為整個航運業樹立榜樣，推動更多船舶采用類似的創新技術，實現綠色航運的目標。


四、仿生蒙皮的未來應用領域


1、航空航天的夢想之翼


在航空領域，仿生蒙皮有望應用于飛機的機身和機翼表面，減少空氣阻力，降低油耗，提升飛行速度和航程。


2、汽車行業的風馳電掣


汽車領域也能受益于這項技術。用于車身和關鍵部件，可降低風阻，提高燃油經濟性，增強電動汽車的續航能力。


3、管道運輸的高效通道


在管道運輸中，內壁敷設仿生蒙皮能夠減少流體阻力，提高輸送效率，降低能耗和運營成本。


4、水利工程的節能先鋒


水利設施如大壩、水閘和渠道的表面應用仿生蒙皮，可優化水流，提高發電效率，減少水資源的浪費。


5、體育競技的速度秘籍


體育器材如賽車、自行車和游泳裝備采用仿生蒙皮，能夠幫助運動員突破速度的極限。


6、能源開發的助力之手


在風能發電中，應用于風力發電機葉片，提高風能轉化效率；在海洋能開發中，為相關設備提供減阻支持。


7、其他船舶類型的應用


除了超大型油輪，仿生蒙皮技術還可應用于各種類型的船舶，如貨輪、集裝箱船等，以提高整個航運業的能源效率。


仿生柔性減阻材料在 30 萬噸超大型油輪上的成功應用，為航運業的可持續發展帶來了新的希望。寧波材料所的創新研究和技術突破，將繼續推動這一技術的不斷完善和廣泛應用，為實現“雙碳”目標和建設美麗海洋貢獻力量。


未來展望：無限可能的創新之路


仿生蒙皮技術如同一顆璀璨的新星，在材料科學的天空中閃耀著光芒。隨著研究的不斷深入和技術的持續完善，它將在更多領域發揮重要作用，為人類的發展和環境的保護貢獻力量。


寧波材料所將繼續引領這一技術的創新與發展，與各界攜手合作，共同開啟一個更加綠色、高效、可持續的未來。


相信在不久的將來，仿生蒙皮技術將成為推動各行業進步的強大動力，讓我們的生活變得更加美好。


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