近日，首艘安裝仿生蒙皮螺旋槳的30萬噸級(jí)超大型油輪（VLCC），順利靠泊在泉州港碼頭，完成了3個(gè)航次的原油運(yùn)輸任務(wù)。航行時(shí)長近200天，里程逾3.5萬海里，航線往返于中國沿海和中東各大港口。螺旋槳表面敷設(shè)仿生蒙皮后，實(shí)船油耗數(shù)據(jù)顯示下降約2%，預(yù)計(jì)在材料生命周期（2.5年）內(nèi)，可實(shí)現(xiàn)平均約1.5%的綜合節(jié)能。按此計(jì)算，一艘VLCC每年可節(jié)約燃油300噸以上（直接經(jīng)濟(jì)效益高達(dá)100萬元以上），減少CO₂排放量900噸以上。該船用仿生柔性減阻材料在實(shí)船應(yīng)用前取得了中國船級(jí)社產(chǎn)品認(rèn)證，滿足控制船舶有害防污底系統(tǒng)國際公約（AFS公約）要求。這是國際上首次將仿生柔性減阻材料應(yīng)用于30萬噸VLCC輪，完成了多航次、長航時(shí)、多海域的節(jié)能數(shù)據(jù)收集。

航運(yùn)業(yè)是全球經(jīng)濟(jì)活動(dòng)的重要支柱，目前超90%的全球貿(mào)易通過海運(yùn)完成。然而，海運(yùn)也消耗著大量能源，并且已成為溫室氣體排放的重要來源之一。據(jù)國際能源機(jī)構(gòu)（IEA）的數(shù)據(jù)顯示，海運(yùn)業(yè)的能源消耗量在全球能源消耗總量中占比約為9%，排放的二氧化碳量占全球二氧化碳排放總量的3%。因此，突破大型船舶的節(jié)能減排關(guān)鍵技術(shù)，引領(lǐng)全球海洋運(yùn)輸業(yè)綠色變革，對(duì)國家實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)具有重要意義。

船舶航行過程中，其能源消耗主要用于驅(qū)動(dòng)螺旋槳產(chǎn)生推力，從而克服船體與水之間的阻力，推進(jìn)船舶前進(jìn)。在中國科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所（以下簡(jiǎn)稱寧波材料所）薛群基院士的布局下，寧波材料所海洋關(guān)鍵材料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室王立平研究員和曾志翔研究員帶領(lǐng)研究團(tuán)隊(duì)較早開展了表界面仿生滑移材料與海洋航體減阻方面的研究工作。“船用仿生蒙皮減阻節(jié)能技術(shù)”是寧波材料所海洋關(guān)鍵材料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室與中遠(yuǎn)海運(yùn)能源運(yùn)輸股份有限公司（以下簡(jiǎn)稱中遠(yuǎn)海能）聯(lián)合開展的科研項(xiàng)目。仿生蒙皮，即參照海豚皮的物理和化學(xué)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(xiàng)目研究人員巧妙地將具有仿海豚皮特征的蒙皮材料應(yīng)用于巨型油輪的螺旋槳表面（圖1），以提高螺旋槳推進(jìn)效率（有效推進(jìn)功率/軸輸出功率）。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%-70%之間。船用發(fā)動(dòng)機(jī)在驅(qū)動(dòng)螺旋槳旋轉(zhuǎn)時(shí)候，能耗的約70%轉(zhuǎn)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(duì)水做功。

眾所周知，海豚、鯊魚等海洋生物在海里游動(dòng)時(shí)具有極低的阻力，主要由于其表面的微結(jié)構(gòu)、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(jié)構(gòu)，產(chǎn)生微渦流，將水流與表皮的滑動(dòng)摩擦轉(zhuǎn)變?yōu)闈L動(dòng)摩擦；結(jié)合表皮粘液的潤滑特性，有效降低水流的湍流動(dòng)能，降低水與表皮之間的剪切力（圖2）。對(duì)于人造的仿生減阻材料而言，表面微結(jié)構(gòu)和柔彈性易于實(shí)現(xiàn)，但要模仿海豚表皮長期粘液分泌的特性，則相對(duì)比較困難，“類液態(tài)”材料有效解決了這一問題。所謂“類液態(tài)”材料，即在固體有機(jī)物分子內(nèi)部接枝了高度柔性分子刷從而表現(xiàn)出一定液體特征的材料。由于所接枝分子鏈具有類似流體的高度動(dòng)態(tài)特性，能自由旋轉(zhuǎn)與運(yùn)動(dòng)，所以各種液體在這種材料的表面粘附力低且易滑移。“類液態(tài)”材料既能保持固體材料的強(qiáng)度，又能達(dá)到類似于“粘液”的滑移特征。仿生蒙皮由研究團(tuán)隊(duì)研制的具有“類液態(tài)”特征的動(dòng)態(tài)界面材料與具有0.1-0.2毫米尺寸微結(jié)構(gòu)的柔性材料耦合而成，敷設(shè)于螺旋槳表面，能夠降低螺旋槳與水之間的剪切力，并減少反推力對(duì)水的做功，進(jìn)而提高了螺旋槳效率，降低了能耗。

鑒于船用仿生柔性減阻材料在實(shí)船上取得的良好節(jié)能減排效果，中遠(yuǎn)海能與寧波材料所緊密合作，有計(jì)劃將該減阻材料推廣至中遠(yuǎn)海能旗下的100余艘油輪船隊(duì)，可為中遠(yuǎn)海能帶來顯著的經(jīng)濟(jì)效益并降低二氧化碳排放量。未來，船用仿生柔性減阻材料將向遠(yuǎn)洋及內(nèi)河運(yùn)輸?shù)热袠I(yè)推廣應(yīng)用，必將促進(jìn)營運(yùn)船舶的綠色化、低碳化發(fā)展，為實(shí)現(xiàn)人與自然和諧共生添磚加瓦。

?????????圖1?超大型油輪進(jìn)船塢??????????? 螺旋槳蒙皮敷設(shè)過程???????????? 仿生蒙皮螺旋槳??

圖2?海豚皮膚與螺旋槳仿生蒙皮示意圖

（海洋關(guān)鍵材料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室）

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