1.1 防污研究的目的及意义

海洋附着生物也称海洋污损生物,所指的是在浸入海中的一切材料表面生长的动、植物以及微生物。海洋污损生物所造成的不良影响称为生物污损。对生物污损的防除称为防污[1]海洋生物的污损给船舶和海洋设施带来极大的危害和巨大的经济损失，据统计,全世界的海洋污损生物共余种,几乎各个主要门类的海洋生物中都有。且大多数浮游在海岸和港湾处,因为这里能为其生长和生存提供丰富的养料。海洋污损生物通常被分为两大类一类为小型污损生物,最常见的有细菌和硅藻一类为大型污损生物,最常见的种类有藤壶、贻贝、藻类、苔醉虫和多毛环虫。生物污损过程通常被分为三个阶段首先在一些物理作用下,有机分子,如多糖、蛋白质,多聚糖,可能还包括一些无机成分会迅速地在放入海中的物体表面聚集形成所谓的调节膜接着,细菌和单细胞的硅藻就会附着在调节膜上而形成微生物粘膜[2],最后是大型污损生物的幼虫或抱子的附着。海洋污损生物的危害主要体现在它破坏了船体表面材料结构，加剧了船体表面的金属腐蚀，同时由于大量的海洋污损生物的附着，船舶航行时的阻力就会增加，从而会导致了船舶航速的降低，增加了燃料的消耗，船舶航行的灵活性也就大大降低。传统的防污涂料都是通过铜、锡、汞、铅等有毒物质的释放来达到消除海洋污损生物的目的，这虽然能够有效减少海洋污损生物的附着，同时，它也给海洋环境带来了严重污染，随着国际社会对环境问题的重视，新型无毒、安全的绿色环保防污技术成为未来发展方向。 近年来，材料表面微观形貌能影响其防污性能这一观点已经得到了越来越多的认可国外的学者也在这方面进行了大量的研究，也取得了一定的成就，我国在这一方面研究的比较少[3]。为了减少海洋污损生物对浸海物体表面的粘附，我计划采取基于海洋结构仿生防污机理的方法，选取具有防污功能的海洋贝壳为研究对象，测量贝壳表面微观形貌，提取其表面形貌特征，分析防污贝壳表面微结构防污机理。

1.2 国内外研究的相关进展

材料表面纹理影响海洋污损生物的附着[4-5]及其减阻性能[6]已经得到了越来越多的认可。对防止海生物污损物理结构模拟目前的研究重点和热点主要在于寻找防污高分子材料，仿形加工出各种人工表面几何形貌。但目前大多数研究的仿生对象主要为鲨鱼的表皮[7-9] ，而且研究的都是单纯从微米或毫米尺度的范围来分析模拟大型海洋动物表皮。研究表明，海洋污损生物的附着性能受到人工表面尺度的影响较大，人工表面尺度不同，海生物附着情况也不一样，而且人工表面不能够同时防止所有海洋污损生物的附着，比如人工表面粗糙度为33．971am时某种藤壶类生物的附着量较低，当其表面粗糙度在2-41．tm范围时，藤壶类生物的附着量就会大大减少，而当其表面粗糙度为O．5．1lam时却很容易易于被贻贝、硅藻、纤毛虫等等海洋污损生物附着[10]。而实际上，大多数海洋生物依据其特殊的表面形貌能够抵制多种海洋污损生物的附着，因此对多尺度海生物表皮物理结构的分析非常有意义。Wahl等人和Bers等人研究确定了贝壳表面微结构具有防污能力[11,12]。贝类的种类很多，表面纹理也不尽相同。如图1所示[13]。

图1 贝壳表面形貌[13]

之所以选取贝壳为研究对象其优点在于以下几点：①从贝壳的结构成分来看，贝壳的最外层的成分主要是由硬化蛋白质，因此贝壳不存在粘液的分泌，其防污特性只与贝壳表面微结构有关。②同时，相对于沙滩上随处可见的贝壳，作为仿生对象的鲨鱼等大型海洋动物的表皮获取及保存都不容易，增加了研究工作的难度。③除此之外，由于贝壳的移动相对缓慢，在研究海洋污损生物的附着之间的关系上，比选鲨鱼等快速游动的大型海洋动物为仿生目标更加有效[14]。目前，关于贝壳的研究主要是在贝壳内部结构的材料性能以及其表面耐磨性能这两点上，对于贝壳表面形貌微结构与抗海洋污损生物防污性能之间的关系这一方面研究比较少。澳大利亚学者Andrew Scardino[15]等对两种双壳类贝壳，紫贻贝(Mytilus galloprovincialis)和珍珠贝(Pinctada imbdcata)的四个不同生长期的个体的外壳角质层厚度、覆盖率和表面形貌进行了分析，随后进行了入海试验和实验室试验，获得了其被海生物附着情况的相关信息。试验证明，紫贻贝不易被附着，四个不同生长期的附着率都小于lO％。相反，珍珠贝更易被附着，且被附着率较高。通过原子力显微镜和扫描电镜观察到紫贻贝表面是规则的波纹状结构，而珍珠贝的表面结构较为复杂，没有规则。Andrew的相关研究为基于贝类表面微结构仿生的绿色防污技术研究起到了非常好的指导作用，同时对我们突破了船舶防污涂料研发的技术瓶颈有非常大的帮助。

2. 研究的基本内容与方案

1. 研究的基本内容及目标：①明确海洋绿色防污技术的重要性，比较分析各种海洋防污方法的优缺点，掌握结构仿生防污技术；② 熟悉相关表面形貌测量仪器的原理、操作方法；③选取几种具有防污能力的海洋贝壳，测量其表面形貌；④分析防污贝壳表面微结构的防污机理；

2. 研究的技术方案：贝壳表面形貌的测量三维形貌测量已经广泛应用于科学研究和生产实践中，但至今关于三维形貌测量时合适采样条件的选择仍没有一个权威标准，只能根据经验主观地选择。若所选的采样间隔太小，采样数据之间就会具有高度相关性，浪费大量时间；若采样间隔太大，采样数据之间的相关性就会很小，从而失去大量的表面空间信息。因此，合适取样间隔的确定具有很重要的作用，对于三维表面测量采样间隔应尽可能大,因为其直接与采样时间相关,过小就会浪费大量时间。将采取如下三种测量分析方法以获取贝壳表面形貌：

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