宁波材料所等研发螺旋桨仿生蒙皮材料 助力超大型油轮节能增效
近日，首艘安装仿生蒙皮螺旋桨的30万吨级超大型油轮（VLCC），顺利靠泊在泉州港码头，完成了3个航次的原油运输任务。航行时长近200天，里程逾3.5万海里，航线往返于中国沿海和中东各大港口。螺旋桨表面敷设仿生蒙皮后，实船油耗数据显示下降约2%，预计在材料生命周期（2.5年）内，可实现平均约1.5%的综合节能。按此计算，一艘VLCC每年可节约燃油300吨以上（直接经济效益高达100万元以上），减少CO2 排放量900吨以上。该船用仿生柔性减阻材料在实船应用前取得了中国船级社产品认证，满足控制船舶有害防污底系统国际公约（AFS公约）要求。这是国际上首次将仿生柔性减阻材料应用于30万吨VLCC轮，完成了多航次、长航时、多海域的节能数据收集。
航运业是全球经济活动的重要支柱，目前超90%的全球贸易通过海运完成。然而，海运也消耗着大量能源，并且已成为温室气体排放的重要来源之一。据国际能源机构（IEA）的数据显示，海运业的能源消耗量在全球能源消耗总量中占比约为9%，排放的二氧化碳量占全球二氧化碳排放总量的3%。因此，突破大型船舶的节能减排关键技术，引领全球海洋运输业绿色变革，对国家实现“双碳”目标具有重要意义。
船舶航行过程中，其能源消耗主要用于驱动螺旋桨产生推力，从而克服船体与水之间的阻力，推进船舶前进。在中国科学院宁波材料技术与工程研究所（以下简称宁波材料所）薛群基院士的布局下，宁波材料所海洋关键材料重点实验室王立平研究员和曾志翔研究员带领研究团队较早开展了表界面仿生滑移材料与海洋航体减阻方面的研究工作。“船用仿生蒙皮减阻节能技术”是宁波材料所海洋关键材料重点实验室与中远海运能源运输股份有限公司（以下简称中远海能）联合开展的科研项目。仿生蒙皮，即参照海豚皮的物理和化学特性，通过人工合成方法，制备出的具有类似海豚皮特征的人造材料。项目研究人员巧妙地将具有仿海豚皮特征的蒙皮材料应用于巨型油轮的螺旋桨表面（图1），以提高螺旋桨推进效率（有效推进功率/轴输出功率）。巨型油轮螺旋桨效率随载货量和航速变化而变化，通常为60%-70%之间。船用发动机在驱动螺旋桨旋转时候，能耗的约70%转化为推力，约15%消耗于螺旋桨剪切水做功，剩余约15%则消耗于螺旋桨反推力对水做功。
众所周知，海豚、鲨鱼等海洋生物在海里游动时具有极低的阻力，主要由于其表面的微结构、柔弹性和表面粘液分泌特性。海豚表皮在水流作用下，形成微结构，产生微涡流，将水流与表皮的滑动摩擦转变为滚动摩擦；结合表皮粘液的润滑特性，有效降低水流的湍流动能，降低水与表皮之间的剪切力（图2）。对于人造的仿生减阻材料而言，表面微结构和柔弹性易于实现，但要模仿海豚表皮长期粘液分泌的特性，则相对比较困难，“类液态”材料有效解决了这一问题。所谓“类液态”材料，即在固体有机物分子内部接枝了高度柔性分子刷从而表现出一定液体特征的材料。由于所接枝分子链具有类似流体的高度动态特性，能自由旋转与运动，所以各种液体在这种材料的表面粘附力低且易滑移。“类液态”材料既能保持固体材料的强度，又能达到类似于“粘液”的滑移特征。仿生蒙皮由研究团队研制的具有“类液态”特征的动态界面材料与具有0.1-0.2毫米尺寸微结构的柔性材料耦合而成，敷设于螺旋桨表面，能够降低螺旋桨与水之间的剪切力，并减少反推力对水的做功，进而提高了螺旋桨效率，降低了能耗。
鉴于船用仿生柔性减阻材料在实船上取得的良好节能减排效果，中远海能与宁波材料所紧密合作，有计划将该减阻材料推广至中远海能旗下的100余艘油轮船队，可为中远海能带来显著的经济效益并降低二氧化碳排放量。未来，船用仿生柔性减阻材料将向远洋及内河运输等全行业推广应用，必将促进营运船舶的绿色化、低碳化发展，为实现人与自然和谐共生添砖加瓦。
图1 (上) 超大型油轮进船坞；(下左) 螺旋桨蒙皮敷设过程；(下右) 仿生蒙皮螺旋桨
图2 海豚皮肤与螺旋桨仿生蒙皮示意图
（海洋关键材料重点实验室）
