劉曉林，朱彥曈，王澤林瀾，趙澤輝，張德遠(yuǎn)，陳華偉,*

1. 北京航空航天大學(xué) 機(jī)械工程及自動(dòng)化學(xué)院，北京 100191 2. 北京航空航天大學(xué) 仿生與微納系統(tǒng)研究所，北京 100191

飛機(jī)結(jié)冰，是飛機(jī)在低溫條件下降雨積冰或飛行過(guò)程中由空氣中的過(guò)冷液滴撞擊飛機(jī)表面后凝固結(jié)冰的現(xiàn)象。飛機(jī)結(jié)冰會(huì)嚴(yán)重影響飛機(jī)飛行安全，破壞氣動(dòng)性能、影響操縱穩(wěn)定性、干擾儀表設(shè)備等[1]；據(jù)資料統(tǒng)計(jì)，全球由于結(jié)冰而導(dǎo)致空難事故的概率超過(guò)15%[2]。為解決當(dāng)前困擾飛機(jī)飛行安全的結(jié)冰問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)飛機(jī)全天候安全飛行，國(guó)內(nèi)外研究人員展開了深入的研究，提出了包括機(jī)械除冰、熱力防除冰和液體防除冰等傳統(tǒng)的主動(dòng)防除冰技術(shù)以及超疏水涂層、液體注入滑移表面、類液膜滑移表面等仿生防除冰涂層技術(shù)。面向迫切的航空防冰需求，本文簡(jiǎn)要回顧傳統(tǒng)主動(dòng)防除冰技術(shù)的技術(shù)手段、優(yōu)缺點(diǎn)和應(yīng)用現(xiàn)狀，重點(diǎn)介紹仿生防冰涂層技術(shù)的低粘附防冰機(jī)理和面向飛行器防除冰應(yīng)用的挑戰(zhàn)，并對(duì)飛行器防冰涂層技術(shù)的發(fā)展前景進(jìn)行展望。

1 傳統(tǒng)主動(dòng)防除冰技術(shù)

傳統(tǒng)的主動(dòng)防除冰技術(shù)包括機(jī)械除冰、熱力防除冰和液體防除冰等[3]，如圖1(a)～圖1(e)[4-7]所示，其典型特征如表1[3-10]所示。傳統(tǒng)防除冰技術(shù)均為主動(dòng)防除冰方法，均需要機(jī)械能、電能、熱能或化學(xué)能的輸入，具有明顯的高能耗/材耗、復(fù)合材料適應(yīng)性差、配套系統(tǒng)復(fù)雜、增重大、環(huán)境不友好等缺點(diǎn)。其中以氣熱、電熱兩種熱力防除冰方法應(yīng)用最廣泛[11]，氣熱防除冰方法引發(fā)動(dòng)機(jī)熱氣會(huì)降低推力，電熱防除冰技術(shù)功耗密度較高，因而兩者應(yīng)對(duì)大面積的防除冰任務(wù)時(shí)能耗會(huì)比較高；同時(shí)傳熱效率會(huì)受蒙皮材料和厚度的影響，傳統(tǒng)氣熱和內(nèi)置電加熱方法難以適應(yīng)耐熱性、導(dǎo)熱性均較差的復(fù)合材料蒙皮(如圖1(f)所示)。波音787客機(jī)采用復(fù)材層間內(nèi)置加熱墊的方法提高了傳熱效率，但防冰/除冰能耗仍分別高達(dá)150～200 kW和45～75 kW[12]。隨著多電/全電飛機(jī)的發(fā)展，電熱防除冰技術(shù)應(yīng)用將進(jìn)一步擴(kuò)大[13]，但高能耗的問(wèn)題仍然制約了其在大型無(wú)人機(jī)、隱身飛機(jī)等低載能或高隱身性飛行器上的應(yīng)用。如何實(shí)現(xiàn)低熱節(jié)能的高效防除冰仍然是飛行器防除冰技術(shù)發(fā)展的瓶頸問(wèn)題。

表1 傳統(tǒng)防除冰技術(shù)特點(diǎn)分析[3-10]Table 1 Property analysis of traditional anti-icing/de-icing techniques[3-10]

2 仿生防除冰涂層技術(shù)

低溫高速運(yùn)動(dòng)的結(jié)冰條件下，積冰與表面之間的“固-固接觸”產(chǎn)生的極大粘附力是造成傳統(tǒng)防除冰方法能耗高、效率低的根本原因；改變界面固-固接觸形式、降低飛機(jī)表面的結(jié)冰粘附力成為實(shí)現(xiàn)飛機(jī)防除冰節(jié)能增效的關(guān)鍵。自然界中演變出多樣化的低粘附機(jī)制，為解決飛機(jī)表面冰粘附問(wèn)題提供了新思路，引發(fā)了廣泛研究，發(fā)展出疏水防冰、液膜注入滑冰表面等技術(shù)[14-15]；陳華偉等基于蝴蝶翅膀滴水不粘、豬籠草口緣區(qū)液膜定向連續(xù)搬運(yùn)與潤(rùn)滑防粘機(jī)制[16]的研究，提取仿生低粘附的本征界面，先后提出“氣膜隔離”超疏水防冰[17-18]、“液膜隔離”[19-20]及“類液膜隔離”滑移防冰[21]等被動(dòng)防除冰概念和利用電加熱涂層“熱融水膜隔離”降低冰粘附的主動(dòng)防除冰概念。

2.1 “氣膜隔離”超疏水防冰涂層技術(shù)

自Barthlott和Neinhuis[22]提出荷葉效應(yīng)以來(lái)，以荷葉、水稻葉、蝴蝶翅膀、水黽腿等為代表的具備超疏水性能的生物原型引發(fā)了仿生超疏水涂層的研究熱潮[23-24]；仿生超疏水涂層“滴水不粘”的優(yōu)異憎水性擴(kuò)展了其在防除冰領(lǐng)域的應(yīng)用研究。超疏水表面構(gòu)建的共性特征為“微納多級(jí)結(jié)構(gòu)與低表面能材質(zhì)的協(xié)同”(如圖2(a)[25-28]所示)，通過(guò)在結(jié)冰界面維持一層微納尺度氣膜實(shí)現(xiàn)“氣膜隔離”效應(yīng)降低結(jié)冰粘附。自然結(jié)霜條件下，結(jié)冰界面“氣膜隔離”效應(yīng)的存在已通過(guò)冷凍聚焦離子束輔助掃描電鏡(cryo-FIB/SEM)證實(shí)[29]，如圖2(b)[29]所示，納米織構(gòu)與霜界面存在大量氣穴，證實(shí)了此時(shí)的霜處于Cassie態(tài)(“Cassie Ice”)，直觀解釋了納米織構(gòu)超疏水表面上霜冰粘附力低的原因。

液滴在超疏水表面的接觸-結(jié)冰-除冰等微觀界面行為表征對(duì)揭示仿生防除冰節(jié)能增效機(jī)制有重要意義。對(duì)于液滴在超疏水表面的接觸界面行為表征主要包括冷凝液滴的自發(fā)合并跳動(dòng)和微液滴撞擊表面行為[30-32]。冷凝液滴的自發(fā)跳動(dòng)行為(如圖2(c)[30]所示)可有效延遲表面靜態(tài)結(jié)冰，而通過(guò)微納結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可顯著縮短常溫微液滴低速撞擊表面的接觸時(shí)間(如圖2(d)[33-34]所示)，為后續(xù)抑制過(guò)冷液滴高速撞擊表面相變成核提供了一種思路。

超疏水表面的防除冰性能研究以靜態(tài)結(jié)冰的宏觀冰粘附力[28-29,35]與自然結(jié)冰、結(jié)霜、凍雨等條件下延遲結(jié)冰時(shí)間的表征為主(如圖3(a)[36]和圖3(b)[37]所示)；此外超疏水表面融霜的自發(fā)運(yùn)動(dòng)現(xiàn)象也廣受關(guān)注[38-39]，陳華偉課題組從能量角度解釋了融霜跳動(dòng)的機(jī)制(如圖3(c)[18]所示)，提出了基于各向異性宏微結(jié)構(gòu)的融霜方向性跳動(dòng)調(diào)控方法[40]。

然而由于超疏水表面納米結(jié)構(gòu)機(jī)械耐久性較差(如圖3(d)[41]所示)，難以耐受低溫高濕環(huán)境[42]，在飛行結(jié)冰環(huán)境高速氣流沖刷、高速微液滴的大水錘壓等復(fù)合作用下氣膜隔離極易失效，液滴滲透至微納結(jié)構(gòu)中導(dǎo)致機(jī)械互鎖；大量冰風(fēng)洞試驗(yàn)也表明其無(wú)法承受高速/低溫/高濕條件，尚不能完全適應(yīng)飛行條件[43]。

面向飛行器防除冰需求開展超疏水表面微結(jié)構(gòu)尺度匹配與材質(zhì)耐久性設(shè)計(jì)、保障微納結(jié)構(gòu)與氣膜在高速?zèng)_擊下的可靠性是推動(dòng)超疏水表面飛行環(huán)境防冰應(yīng)用的必經(jīng)之路。目前常用的超疏水表面耐久性增強(qiáng)方法包括微結(jié)構(gòu)框架保護(hù)、粘合劑增強(qiáng)、同質(zhì)化結(jié)構(gòu)增強(qiáng)等。

1) 微結(jié)構(gòu)框架保護(hù)一般采用高強(qiáng)度的微米結(jié)構(gòu)框架保護(hù)脆弱的納米結(jié)構(gòu)，這類堅(jiān)固微結(jié)構(gòu)包括剛性框架[27,44]/織構(gòu)[45]、聚合物織構(gòu)[46]等；

例如鄧旭課題組[27]將納米結(jié)構(gòu)的超疏水性能與微米結(jié)構(gòu)的耐久性相結(jié)合，微米框架結(jié)構(gòu)充當(dāng)“鎧甲”以保護(hù)框架內(nèi)部脆弱的納米結(jié)構(gòu)，在玻璃表面制備了具有極強(qiáng)耐磨性能的超疏水表面(如圖4(a)[27]所示)；鐘敏霖課題組[28]在金屬表面設(shè)計(jì)了一種三尺度復(fù)合微/納米結(jié)構(gòu)超疏水表面，具有優(yōu)異的Cassie狀態(tài)穩(wěn)定性，臨界拉普拉斯壓力高達(dá)1 450 Pa，冰附著強(qiáng)度可顯著降低；通過(guò)結(jié)構(gòu)調(diào)控實(shí)現(xiàn)了界面在結(jié)冰融冰循環(huán)中自發(fā)產(chǎn)生從Wenzel態(tài)到Cassie態(tài)的去濕轉(zhuǎn)變(如圖4(b)[47]所示)，冰滴中的氣泡在Marangoni力的作用下迅速撞擊微納結(jié)構(gòu)，促使氣穴不斷恢復(fù)完成Wenzel-Cassie(W-C)轉(zhuǎn)變[47]。

2) 選用合適的粘合劑也可起到保護(hù)納米功能顆粒的目的，陸遙等[48]采用商用膠粘劑固定氟化TiO2納米顆粒，制備出抗手指觸摸、刀刮、砂紙打磨40次的超疏水自清潔涂層；陳華偉等[17]制備了玻璃纖維布-膠粘劑基超疏水涂層，復(fù)合了纖維布的微米織構(gòu)和膠粘劑的強(qiáng)粘附性，增強(qiáng)了涂層的耐砂紙打磨性能，所獲表面可在無(wú)輔熱的狀況下顯著延遲動(dòng)態(tài)環(huán)境下的結(jié)冰(如圖4(c)[17]所示)。

3) 采用同質(zhì)化結(jié)構(gòu)，材料整體均為具有低表面能的材質(zhì)，即使部分磨損后暴露出的部分仍具超疏水性質(zhì)[49-51]，彭超義等[52]通過(guò)對(duì)環(huán)氧樹脂進(jìn)行氟化有效提升了超疏水表面的耐久性及與基底的粘合性能，制備出一種全有機(jī)、柔性超疏水納米復(fù)合涂層；循環(huán)膠帶剝離測(cè)試和Taber磨損測(cè)試(如圖4(d)[52]所示)證實(shí)了其極高的機(jī)械強(qiáng)度，甚至可持續(xù)暴露于高腐蝕性介質(zhì)中。

通過(guò)精細(xì)的微納多級(jí)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可有效增強(qiáng)超疏水表面耐久性且防止表面發(fā)生Cassie-Wenzel轉(zhuǎn)變，但多級(jí)結(jié)構(gòu)制造需借助復(fù)雜昂貴的設(shè)備且難以針對(duì)不規(guī)則表面進(jìn)行大規(guī)模制造；相比于構(gòu)筑多級(jí)結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)表面的超疏水性能，超疏水涂層技術(shù)由于方便施工、成本低、機(jī)械強(qiáng)度高、可適用于各類不規(guī)則基體，更容易適應(yīng)航空業(yè)的大面積制造需求。

2.2 “液膜隔離”滑移防冰涂層技術(shù)

受豬籠草防粘的啟發(fā)，哈佛大學(xué)Aizenberg課題組[53]提出了采用潤(rùn)滑液膜實(shí)現(xiàn)隔離冰粘附的仿生液膜注入滑移表面(Slippery Liquid-In-fused Porous Surface，SLIPS)，其表面構(gòu)建的共性特征為“微納多孔結(jié)構(gòu)+注入低表面能潤(rùn)滑液體”(如圖5(a)[19,54-56]所示)。潤(rùn)滑液膜多為低表面能的全氟聚醚、氟化油或硅油，而多孔結(jié)構(gòu)的主要功能為潤(rùn)滑液膜的固持存儲(chǔ)。液膜注入滑移表面防除冰性能驗(yàn)證研究以宏觀、靜態(tài)的延遲結(jié)冰及結(jié)冰粘附力表征為主(如圖5(b)[55]和圖5(c)[56]所示)，但其低粘附效應(yīng)極大依賴于液膜的油量，而油量隨結(jié)冰除冰循環(huán)逐漸減少，其延遲結(jié)霜的性能也大幅衰減(如圖5(d)[57]所示)。飛行條件下油膜流失問(wèn)題更加嚴(yán)重，當(dāng)前仿生液膜注入滑移表面的液膜固持耐久性問(wèn)題仍然是限制其適應(yīng)飛行條件的首要問(wèn)題。

多孔表面的持液性能增強(qiáng)是液膜注入滑移表面設(shè)計(jì)的關(guān)鍵，可通過(guò)設(shè)計(jì)持油結(jié)構(gòu)[58-63]、采用相變型或固體潤(rùn)滑劑[21,63-64]、潤(rùn)滑液/防凍液緩釋與持續(xù)輸送結(jié)構(gòu)等提升。

1) 優(yōu)化持液結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是最直接的方法，通?？刹捎贸钟湍芰?qiáng)的基底結(jié)構(gòu)[41,56]或與彈性體相結(jié)合：汪懷遠(yuǎn)課題組[65]通過(guò)對(duì)微納結(jié)構(gòu)和化學(xué)相互作用的協(xié)調(diào)設(shè)計(jì)在TiO2表面沉積了仿玉米狀堆疊凹凸棒石結(jié)構(gòu)，提供了足夠毛細(xì)長(zhǎng)度穩(wěn)定的油層，如圖6(a)[65]所示。

2) 相變型/固體潤(rùn)滑劑則可減弱飛行結(jié)冰條件下的潤(rùn)滑劑流失，而通過(guò)溫控等方法實(shí)現(xiàn)界面潤(rùn)滑轉(zhuǎn)換[63]，劉明杰課題組[66]在有機(jī)凝膠內(nèi)摻入具有上臨界會(huì)溶溫度的二元液體混合物(如圖6(b)[66]所示)，實(shí)現(xiàn)了二元溶液滲透凝膠的溫控相分離、表面摩擦系數(shù)由0.40到0.03的轉(zhuǎn)換，冰粘附強(qiáng)度低于1 kPa；陳華偉課題組[21]在彈性體網(wǎng)絡(luò)中添加相變型潤(rùn)滑劑微晶蠟構(gòu)筑了熱響應(yīng)型類滑移表面，其滑移能力會(huì)隨溫度升高而逐步加強(qiáng)；彈性體與相變型潤(rùn)滑劑的結(jié)合增強(qiáng)了潤(rùn)滑劑的穩(wěn)定能力，水汽兩相流沖刷下潤(rùn)滑劑損失極少，滑移表面的耐久性能得到提升。

3) 通過(guò)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)潤(rùn)滑液或防凍液的緩釋與持續(xù)輸送可解決潤(rùn)滑劑的長(zhǎng)時(shí)供給問(wèn)題，Sun等[67]深入研究了毒箭蛙存儲(chǔ)和分泌毒素的方式，提出并構(gòu)造了如圖6(c)[67]所示的具有不同浸潤(rùn)性的雙層結(jié)構(gòu)，表層在結(jié)霜或結(jié)冰時(shí)會(huì)從小孔中分泌出防凍液，使冰融化脫落，實(shí)現(xiàn)了防凍液按需緩釋，很大程度上提高了防凍液的利用率；筆者課題組[16]基于豬籠草口緣的濕滑防粘現(xiàn)象揭示了梯度楔形盲孔與梯度拱形邊緣對(duì)液膜的單方向持續(xù)搬運(yùn)機(jī)制(如圖6(d)[16]所示)，為具備潤(rùn)滑液持續(xù)輸送的“液膜隔離”除冰技術(shù)開辟了一條新出路。

2.3 “類液膜隔離”滑移防冰涂層技術(shù)

為改善氣膜/液膜防冰界面在防冰領(lǐng)域中難以適應(yīng)飛行結(jié)冰環(huán)境的缺點(diǎn)，科研人員進(jìn)行了多種嘗試。取代氣膜、液膜等穩(wěn)定性差的流動(dòng)介質(zhì)，選用非流動(dòng)式的防冰界面設(shè)計(jì)可能成為面向飛行結(jié)冰環(huán)境應(yīng)用的突破口。這種非流動(dòng)而具備液體滑移效果的“類液膜隔離”滑移防冰表面包括類水層防冰表面[68-69]、防凍蛋白接枝表面[70-71]和分子刷/聚電解質(zhì)刷防冰表面[72-73]等。

1) 類水層防冰表面通過(guò)構(gòu)建可降低冰點(diǎn)的分子層實(shí)現(xiàn)界面維持一層液態(tài)水潤(rùn)滑層，從而降低粘附力

王健君課題組[68-69]受滑冰運(yùn)動(dòng)的啟發(fā)，提出了自潤(rùn)滑類水層防覆冰涂層材料，可使冰與固體表面間形成水潤(rùn)滑層，大幅降低冰的粘附力(如圖7(a)[69]所示)；且該水潤(rùn)滑層可在低溫下保持，低溫測(cè)試表明自潤(rùn)滑水層能在-42 ℃下保持液態(tài)。

2) 極地動(dòng)植物體內(nèi)的防凍蛋白具有熱滯活性效應(yīng)、抑制并減少重結(jié)晶兩大特性，可吸附于冰晶表面上抑制冰晶生長(zhǎng)

He等[74]通過(guò)將防凍蛋白與聚二甲基硅氧烷(PDMS)接枝的聚電解質(zhì)水凝膠結(jié)合制備了一種多功能防冰水凝膠(如圖7(b)[74]所示)，可同時(shí)實(shí)現(xiàn)抑制冰成核(冰成核溫度低于-30 ℃)、防止冰增長(zhǎng)(冰傳播速率低于0.002 cm2/s)與減少冰粘附(冰粘附力低于20 kPa)的功能。

3) 將分子鏈一端以物理或化學(xué)鍵固定于基底表面形成類似毛刷的“類液體”層結(jié)構(gòu)[75-76]，消除滑移障礙[77]，可降低表面的結(jié)冰粘附力

但該種分子刷通常只有幾納米，這使光滑的表面易受破壞，且基本沒(méi)有其機(jī)械穩(wěn)定性的報(bào)告[78-79]；為提升其耐久性，Yang等[80]利用環(huán)氧與氨基的開環(huán)反應(yīng)將端氨基PDMS與環(huán)氧樹脂結(jié)合，制備了一種透明高強(qiáng)度分子刷接枝涂層(如圖7(c)[80]所示)，這一涂層展現(xiàn)了優(yōu)異的液滴滑移性能、耐久性能與較低的粘附力；Chernyy等[72]將離子與分子刷結(jié)合，在玻璃表面制備了聚電解質(zhì)刷表面，發(fā)現(xiàn)Li+聚電解質(zhì)刷表面在-18 ℃時(shí)對(duì)冰的粘附力降低了40%，在-10 ℃時(shí)降低了70%，而Ag+離子在-10 ℃時(shí)可將冰粘附力降低至20%。

2.4 彈性/低界面韌性防冰涂層技術(shù)

仿生低粘附防除冰表面的研究多關(guān)注于降低結(jié)冰粘附強(qiáng)度τice，而當(dāng)積冰面積S較大時(shí)，低冰粘附強(qiáng)度也可能導(dǎo)致較大的除冰力F=τiceS。Golovin等[81]報(bào)道了一種低界面韌性防冰材料，顯著減小了移除大面積冰所需的力，且證實(shí)該力與冰的面積無(wú)關(guān)：表面上1 m2的冰僅憑自重便可輕易脫落(如圖8(a)[81]所示)；在外力作用下，低界面韌性材料表面發(fā)生局部形變、應(yīng)力集中進(jìn)而產(chǎn)生界面微裂紋，此后微裂紋擴(kuò)展所需的力便不再受冰面積影響(如圖8(b)[81]所示)。

相比于超浸潤(rùn)界面，彈性體表面則可通過(guò)借助基底與冰彈性模量的明顯不匹配促進(jìn)冰與界面間裂紋的發(fā)生并加速冰的脫粘[82-84]。但針對(duì)冰在表面脫附的行為研究上仍局限于結(jié)冰粘附力的宏觀測(cè)量[85-86]，尚需進(jìn)一步開展對(duì)于冰在具有不同浸潤(rùn)性能界面的脫附行為及裂紋形成規(guī)律的細(xì)致探討。另外，對(duì)于飛行結(jié)冰環(huán)境下形成的鱗狀離散冰[87-88]低界面韌性材料并不具備優(yōu)勢(shì)，仍應(yīng)考慮低結(jié)冰粘附與低界面韌性的匹配優(yōu)化。

2.5 “熱融水膜隔離”主被動(dòng)復(fù)合節(jié)能防冰涂層技術(shù)

綜上可見，目前絕大多數(shù)仿生低粘附防冰表面的研究均集中在靜態(tài)或自然結(jié)冰狀態(tài)的宏觀驗(yàn)證性表征，對(duì)于飛行環(huán)境的防冰應(yīng)用可靠性仍鮮有報(bào)道；冰風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果也證實(shí)了在高速冷濕氣流的沖擊下，僅依靠超疏水/液膜注入滑移表面等仿生被動(dòng)防除冰表面難以在模擬飛行結(jié)冰條件下實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)久防冰。在仿生被動(dòng)防除冰技術(shù)解決飛行環(huán)境防冰失效問(wèn)題之前，仍需主動(dòng)防冰方式保證飛行器飛行條件下防除冰的可靠性，輔以仿生低粘附防除冰涂層則可進(jìn)一步降低主動(dòng)防除冰方式帶來(lái)的能耗?；诖耍孕滦椭鲃?dòng)防除冰方法為主，復(fù)合仿生低粘附表面實(shí)現(xiàn)防除冰節(jié)能成為面向飛行環(huán)境的仿生防冰表面重要發(fā)展趨勢(shì)。

新型的主動(dòng)防除冰涂層方式主要有電熱、光熱、磁熱及幾種方式復(fù)合防除冰等，均依靠外部能量輸入使界面溫度高于冰點(diǎn)而防冰，或誘導(dǎo)結(jié)冰界面接觸形式由“固-固接觸”向“熱融液膜-固接觸”轉(zhuǎn)變，從而降低積冰粘附力實(shí)現(xiàn)除冰。

2.5.1 電加熱防冰涂層

相比傳統(tǒng)內(nèi)置加熱片的低傳熱效率，新型導(dǎo)電加熱涂層以其直接作用于結(jié)冰界面、響應(yīng)迅速等優(yōu)點(diǎn)開始引領(lǐng)研究熱潮：采用導(dǎo)電高聚物或摻雜金屬納米顆粒、碳納米管、石墨烯等導(dǎo)電納米顆粒制備的電加熱涂層可涂覆于防護(hù)部位表面，直接加熱涂層/冰界面，從而大幅提高加熱效率[89-90]。陳華偉課題組[20]研制的碳納米管-聚合物基電加熱防冰涂層表現(xiàn)出優(yōu)異的低能耗防冰能力(如圖9(a)[20]所示)，相較于傳統(tǒng)電加熱防除冰方式可降低58%的能耗，揭示了“熱融微液膜隔離”仿生防除冰增效機(jī)制；該表面可廣泛應(yīng)用于各型飛機(jī)尾翼、發(fā)動(dòng)機(jī)唇口、風(fēng)電葉片等表面的防除冰，目前已成功裝備了包括翼龍-2H氣象型無(wú)人機(jī)在內(nèi)的多種大型無(wú)人機(jī)。

2.5.2 光熱輔助防冰涂層

太陽(yáng)光照是自然的熱量來(lái)源，充分利用自然光照進(jìn)行表面加熱是實(shí)現(xiàn)主動(dòng)防冰的有效補(bǔ)充，由此發(fā)展出了多種具備光熱效應(yīng)的防除冰涂層[91-94]。Liu等[95]噴涂制備了碳納米管-改性氟聚丙烯酸酯基超疏水涂層，兼具光熱、電熱效應(yīng)以保證在不同光照條件下防除冰的節(jié)能、可靠(如圖9(b)[95]所示)；Zhang等[96]采用超快脈沖激光沉積法制備了光熱超疏水涂層，在低溫高濕的極端環(huán)境下可保持優(yōu)異的光熱轉(zhuǎn)換、液滴自清除及防冰防霜性能。

2.5.3 仿生復(fù)合電加熱涂層主被動(dòng)協(xié)同防冰增效

大量研究證實(shí)在主動(dòng)防除冰技術(shù)基礎(chǔ)上復(fù)合仿生被動(dòng)防冰方法可實(shí)現(xiàn)降低主動(dòng)防除冰能耗的目標(biāo)[97-100]。Antonini等[97]率先提出了在傳統(tǒng)電熱防冰機(jī)翼表面復(fù)合超疏水涂層的熱耦合仿生防冰方法，驗(yàn)證了在低速、低水含量風(fēng)洞試驗(yàn)中實(shí)現(xiàn)電熱防冰節(jié)能80%的效果(如圖9(c)[97]所示)；Sun等[98]通過(guò)冰風(fēng)洞試驗(yàn)證實(shí)了超疏水表面可降低高達(dá)76.7%的電熱系統(tǒng)防冰能耗，表面溫度低于15 ℃且不易出現(xiàn)溢流冰；筆者課題組[17]將耐磨超疏水涂層與內(nèi)置電加熱片復(fù)合實(shí)現(xiàn)了動(dòng)態(tài)結(jié)冰條件下完全防冰節(jié)能降耗50%以上(如圖9(d)[17]所示)，并創(chuàng)新性地提出了新型電加熱涂層與仿生低粘附表面的層-層復(fù)合方法[19-20]，實(shí)現(xiàn)了“熱融水/油膜”隔離狀態(tài)的動(dòng)態(tài)防冰節(jié)能增效(如圖9(e)[19]所示)。

2.5.4 多功能兼容仿生防除冰涂層技術(shù)

隨著新型主動(dòng)防除冰技術(shù)日趨成熟，諸如飛機(jī)擋風(fēng)玻璃及直升機(jī)旋翼等飛行器特殊部位對(duì)防除冰涂層/膜等提出了高透光率、柔性、智能自控溫等多功能兼容需求。Matsubayashi等[89]使用PEDOT:PSS作為導(dǎo)電材料，制備了具備柔性、透明、耐磨、超疏水特性的導(dǎo)電加熱膜，該電加熱膜電熱轉(zhuǎn)換效率可達(dá)260.8 ℃·cm2/W；施加18 V直流電壓時(shí)可在90 s內(nèi)達(dá)到表面完全除霜(如圖10(a)[89]所示)。陳華偉等[21,101]通過(guò)結(jié)合彈性體聚合物網(wǎng)絡(luò)與相變型潤(rùn)滑劑制備了具有智能自控溫加熱效果、固-液界面轉(zhuǎn)換效果的電加熱防除冰涂層(如圖10(b)[21]所示)；相變型潤(rùn)滑劑的加入引發(fā)表面產(chǎn)生由固態(tài)到類SLIPS態(tài)滑移表面的溫控轉(zhuǎn)變，從而降低結(jié)冰粘附力；正溫度系數(shù)(PTC)效應(yīng)使涂層具有智能自控溫的加熱效果，在面對(duì)不同冷負(fù)載和初始熱輸入的條件下體現(xiàn)出優(yōu)異的節(jié)能、溫度自調(diào)控性能。

3 飛行器仿生防除冰技術(shù)挑戰(zhàn)與展望

飛行器防除冰技術(shù)已成為保障全天候飛行安全的必要條件。大型無(wú)人機(jī)、隱身飛機(jī)、復(fù)合材料蒙皮的發(fā)展對(duì)防冰技術(shù)裝備減重增效的需求更為迫切，僅依靠傳統(tǒng)防除冰技術(shù)已不能完全滿足低能耗防除冰要求和航空業(yè)“碳中和”的目標(biāo)，亟需更為簡(jiǎn)便高效的新型防除冰技術(shù)。仿生防除冰技術(shù)近些年異軍突起，發(fā)展勢(shì)頭猛烈，但仿生防除冰涂層技術(shù)真正實(shí)現(xiàn)飛行器的裝機(jī)應(yīng)用仍然面臨挑戰(zhàn)，攻克這些瓶頸問(wèn)題即成為仿生防除冰涂層技術(shù)的研究方向：

1) 飛行條件的高速氣流沖擊、冰晶/砂石打擊等對(duì)仿生防除冰涂層的機(jī)械耐久性能提出了更嚴(yán)苛的要求，現(xiàn)有仿生防除冰涂層機(jī)械耐久增強(qiáng)方法已取得長(zhǎng)足的進(jìn)展，仍需開展面向飛行結(jié)冰條件的耐久性能驗(yàn)證。

2) 飛機(jī)蒙皮功能需求多，諸如透明、柔性、電磁透波、結(jié)冰感知、流場(chǎng)感知等多功能之間有時(shí)兼容困難，面向新一代飛機(jī)防冰需求的多功能兼容方法成為新的研究方向。

3) 面向高速、低溫、微尺度液滴的嚴(yán)苛飛行結(jié)冰條件，以新型主動(dòng)防除冰涂層為主，配合仿生低粘附表面實(shí)現(xiàn)主被動(dòng)復(fù)合防除冰節(jié)能成為飛行環(huán)境仿生防冰表面發(fā)展的重要趨勢(shì)。

4) 復(fù)雜的微納多級(jí)結(jié)構(gòu)、材料制備流程和昂貴的制備工藝無(wú)法適應(yīng)工程應(yīng)用的需要，研發(fā)噴涂法、覆膜法等仿生防除冰涂層的大面積、低成本制備方法是飛行器工程應(yīng)用的必經(jīng)之路。

4 結(jié) 論

自然界奇特的進(jìn)化引發(fā)無(wú)窮無(wú)盡的想象，不斷給科研工作以啟迪。仿生防除冰涂層技術(shù)的發(fā)展已取得長(zhǎng)足進(jìn)展，針對(duì)微納多級(jí)結(jié)構(gòu)、低表面能材質(zhì)的設(shè)計(jì)研發(fā)手段已日趨成熟；仿生防除冰涂層利用界面與冰的“氣膜/液膜/類液膜/熱融水膜隔離效應(yīng)”可實(shí)現(xiàn)顯著降低結(jié)冰粘附的目標(biāo)。盡管面向飛行器嚴(yán)苛的防冰應(yīng)用需求仍有一些問(wèn)題亟待解決，仿生防除冰涂層的可行性已得到驗(yàn)證：強(qiáng)耐久、抗?jié)B透、低粘附的仿生防除冰涂層與新型主動(dòng)防除冰涂層的復(fù)合設(shè)計(jì)方法為飛行器復(fù)合防除冰節(jié)能增效提供了可行方案，可成為解決大型無(wú)人機(jī)、隱身飛機(jī)、復(fù)合材料蒙皮等高效防除冰難題的新途徑。