邱 超，寇 祎，楊京龍

(中國民航飛行學(xué)院航空工程學(xué)院，四川 廣漢 618307)

0 前 言

結(jié)冰會給船舶、發(fā)電機和飛機等的運行帶來諸多不便。例如，結(jié)冰會導(dǎo)致極地航行船舶大量覆冰，增加船體質(zhì)量和船舶阻力[1]。風(fēng)力發(fā)電機組的葉片結(jié)冰會導(dǎo)致其表面粗糙度增加，使葉片的阻力升高，破壞其氣動性能[2]。飛機的發(fā)動機進氣口、機翼前緣、飛行員座艙玻璃和某些外置傳感器結(jié)冰，會影響到飛機的操控性，甚至導(dǎo)致墜機事故[3，4]。傳統(tǒng)的除、防冰方法有電熱法、氣熱法以及機械法等[4]，但這些方法存在能耗大、使用的工具結(jié)構(gòu)復(fù)雜等局限性。隨著仿生技術(shù)的發(fā)展，超疏水表面因具有良好的疏水性能而受到廣泛關(guān)注[5]，超疏水表面的防冰機理及其在電力[6]、航空[7]等諸多領(lǐng)域應(yīng)用的可行性成為研究熱點。

近年來，研究人員對超疏水涂層的制備工藝、防冰機理及應(yīng)用性能進行了大量研究[8，9]。王為政等[10]將二氧化硅溶液噴涂到經(jīng)化學(xué)刻蝕處理后的玻璃表面，制成超疏水涂層，涂層表面的靜態(tài)接觸角達(dá)到158°以上，且具有良好的耐磨性能。張倩倩等[11]采用激光刻蝕法在鎂合金表面構(gòu)建微納米結(jié)構(gòu)，然后旋涂二氧化硅溶液，干燥后制成超疏水涂層，試驗發(fā)現(xiàn)激光加工紋理間距越小，得到的超疏水涂層的性能越好。方永勤等[12]采用化學(xué)刻蝕法與多層堆疊法結(jié)合，將氟硅溶膠-氣相納米SiO2噴涂至玻璃表面，制成超疏水涂層，該涂層具有良好的耐磨性能，經(jīng)砂紙打磨后仍可保持超疏水性。陳浩等[13]采用浸漬法將納米粉末沉積到試樣表面，制得超疏水涂層，該涂層具有導(dǎo)電性，且在長期通電的情況下仍可保持超疏水性。唐浩銘等[14]通過水熱法和化學(xué)修飾法在2 000 目304 不銹鋼基體上制備了超疏水表面，研究發(fā)現(xiàn)經(jīng)過20 次膠帶剝離試驗后涂層仍可保持超疏水性能。舒忠虎等[15]通過磁控濺射及表面氟化修飾不同納米尺度的氧化鋅(ZnO)和二氧化硅(SiO2)粒子，獲得了一種新型的ZnO/SiO2復(fù)合超疏水涂層，該涂層具有出色的防冰性能；在濕度為60%，溫度分別為－2，－10，－20 ℃的條件下，該涂層延緩結(jié)冰時間分別為2 446，1 604，137 s。李回歸等[16]通過在基材表面噴涂環(huán)氧樹脂作為黏合劑，然后噴涂炭黑納米粒子、聚二甲基硅氧烷(PDMS)以及十七氟癸基三乙氧基硅烷(PFDTES)的共混液，制備了一種炭黑/PDMS 光熱超疏水涂層，試驗發(fā)現(xiàn)該涂層在溫度為－20 ℃，相對濕度為35%±5%的條件下，可使水滴在玻璃表面結(jié)冰的時間由30 s 延遲到160 s。武壯壯等[17]以Ti 合金為基體材料，通過超快激光加工微結(jié)構(gòu)并復(fù)合納米SiO2/氟化聚氨酯涂料制得超疏水涂層，試驗發(fā)現(xiàn)與Ti 合金基體表面和納米結(jié)構(gòu)表面相比，該涂層可以顯著降低冰結(jié)合強度。

目前的研究多針對靜止在防冰涂層表面的水滴結(jié)冰過程進行研究，而對動態(tài)水滴結(jié)冰過程的研究報道較少。為此，本工作設(shè)置自由下落的水滴連續(xù)不斷地沖擊低溫下的試樣表面，研究水滴在動態(tài)下的結(jié)冰過程，并通過對比低溫下未經(jīng)過任何處理的鋁合金試樣表面(后續(xù)均稱其為普通表面)與超疏水表面對水滴的捕獲率，探索超疏水表面的防冰性能隨低溫持續(xù)時間、表面傾斜度以及環(huán)境溫度改變的變化規(guī)律。

1 涂料制備工藝及試驗臺搭建

1.1 涂料制備工藝

涂料的制備過程如圖1 所示。將適量粒徑為20 nm 的二氧化硅與少量氟硅烷加入體積分?jǐn)?shù)為99.7%的酒精中攪拌并干燥，以增強二氧化硅在含氟溶液中的分散性。取0.8 g 干燥后的二氧化硅，加入10 mL 去離子水，使用磁力攪拌器在30 ℃，300 r/min 的條件下攪拌15 min，得到二氧化硅溶液。將5 mL 含氟溶液加入二氧化硅溶液，同樣條件下繼續(xù)攪拌15 min，得到含氟及二氧化硅的涂料。用噴槍將涂料噴涂在7075 鋁合金基材表面，在40 ℃的干燥箱中放置24 h，直至涂料完全固化，得到氟基自組裝超疏水涂層。

圖1 涂料的制備過程Fig.1 Preparation process of the coating

1.2 試驗方案

搭建如圖2 所示的試驗臺架，主要包括半導(dǎo)體制冷臺，高速攝影儀以及恒速定量泵等。試驗通過測試超疏水涂層對水滴的捕獲質(zhì)量與捕獲率探索該氟基超疏水涂層在低溫下的防冰性能。將噴涂有氟基超疏水涂層的鋁合金試樣傾斜放置在半導(dǎo)體制冷臺表面，控制制冷臺表面的溫度，使水滴持續(xù)滴落在試樣表面。低溫下，部分水滴停留在試樣表面而逐漸結(jié)冰。冰的質(zhì)量與所有接觸過試樣表面的水滴質(zhì)量之比即試樣對水滴的捕獲率。前者可通過試樣結(jié)冰前、后質(zhì)量之差得到，后者則根據(jù)恒速定量泵的工作時間計算得到。

圖2 試驗臺架示意圖Fig.2 Schematic diagram of the experimental devices

2 結(jié)果與分析

2.1 低溫持續(xù)時間對水滴捕獲質(zhì)量及捕獲率的影響

將噴涂有超疏水表面的鋁合金試樣與普通表面的鋁合金試樣傾斜放置在半導(dǎo)體制冷臺表面，傾斜角度均為10°，半導(dǎo)體制冷臺表面的溫度設(shè)置為－20 ℃。水滴連續(xù)不斷地從距離試樣表面10 mm 的高度自由下落，撞擊試樣表面并沿表面滾動。高速攝影儀記錄了2個試樣表面對水滴的捕獲以及結(jié)冰的過程，－20 ℃下試樣表面不同時刻的結(jié)冰情況如圖3 所示。

圖3－20 ℃下試樣表面不同時刻的結(jié)冰情況Fig.3 The growth of ice on the surfaces of samples at different times at－20 ℃

由圖3 可見，2 個試樣表面均存在覆冰的現(xiàn)象。不同的是，普通表面為釉面冰，冰層覆蓋整個試樣表面且內(nèi)部已完全結(jié)冰，因而透明度較差；相比而言，超疏水表面只是部分表面覆冰，且既有釉面冰，又有球形冰，冰內(nèi)透明度較好。這是由于水滴在與超疏水表面接觸的過程中，二者間的接觸面積相比普通表面更小，延緩了二者間的熱傳導(dǎo)，因此，盡管水滴表面已經(jīng)結(jié)冰，但水滴內(nèi)部仍有少量未完全凍結(jié)的過冷水，因而透明度較好。不同低溫持續(xù)時間下的水滴捕獲質(zhì)量及捕獲率見表1。不同試樣表面對水滴的捕獲質(zhì)量及捕獲率隨低溫持續(xù)時間的變化規(guī)律見圖4。

表1 不同低溫持續(xù)時間下的水滴捕獲質(zhì)量及捕獲率Table 1 The capture mass and capture rate of droplets at different durations of low temperature

圖4 不同試樣表面對水滴的捕獲質(zhì)量及捕獲率隨低溫持續(xù)時間的變化規(guī)律Fig.4 Variation of the capture mass and capture rate of droplets on surfaces of different samples with duration of low temperature

從表1 及圖4a 可以看到，2 個試樣表面捕獲水滴的質(zhì)量均隨著低溫持續(xù)時間的延長而逐漸增加。在試驗開始后的3 min 內(nèi)，普通表面捕獲的水滴質(zhì)量迅速增加。這是由于普通表面與水滴的接觸面積更大、黏附力更強，加速了水滴與試樣之間的熱交換，使得水滴與試樣表面接觸后過冷度迅速增加，冰核形成的能障變小，結(jié)冰時間縮短。在3 min 后，普通表面捕獲的水滴質(zhì)量基本保持不變。這是因為此時普通表面的冰層已經(jīng)生長到一定的厚度，冰層厚度的增加，降低了水滴與試樣之間的熱交換。當(dāng)水滴獲得的過冷度不足以克服冰核形成的能障時，冰層表面的水滴將以液態(tài)的形式流走，因此3 min 后普通表面捕獲水滴的質(zhì)量不再繼續(xù)增加。

在超疏水表面，試驗開始后的7 min 內(nèi)，試樣表面捕獲的水滴質(zhì)量逐漸增加，但增加的速率遠(yuǎn)小于普通表面；且隨著低溫持續(xù)時間的延長，被捕獲水滴質(zhì)量增加的速率逐漸變緩。7 min 后，試樣表面捕獲的水滴質(zhì)量也基本保持不變。這是由于超疏水表面的低潤濕性導(dǎo)致水滴不易附著在其表面，即使有少量水滴停留在超疏水表面，二者之間極小的接觸面積嚴(yán)重阻礙了水滴與試樣之間的熱交換，導(dǎo)致水滴需要更長的時間才能獲得足以克服結(jié)冰能障所需要的過冷度。因此，超疏水表面冰層的生長速率更慢，厚度更薄，覆蓋面積更小。

圖4b 中，2 個試樣表面對水滴的捕獲率均隨低溫持續(xù)時間的延長而降低。試驗初始階段，普通表面對水滴的捕獲率遠(yuǎn)高于超疏水表面。但隨著低溫持續(xù)時間的延長，二者間的差距逐漸縮小。試驗開始7 min后，2 個試樣表面對水滴的捕獲率基本相同。由此可見，盡管超疏水表面不能完全阻止結(jié)冰的發(fā)生，但超疏水表面在一定時間范圍內(nèi)能夠延緩冰層的生長速率。在－20 ℃，低溫持續(xù)時間不超過7 min 時，超疏水表面可以延緩冰層的生長速率，且低溫持續(xù)的時間越短，超疏水表面抑制冰層生長的效果越顯著。

2.2 試樣傾斜角度對水滴捕獲質(zhì)量及捕獲率的影響

將具有超疏水表面的試樣與普通表面的試樣傾斜放置在半導(dǎo)體制冷臺表面，半導(dǎo)體制冷臺的表面溫度設(shè)置為－20 ℃。連續(xù)不斷的水滴從距離試樣表面10 mm 的高度自由下落，撞擊試樣表面并沿表面滾動。低溫持續(xù)的時間為3 min，流過試樣表面的水滴的總質(zhì)量為4.0 g。－20 ℃下試樣在不同傾斜角度下的結(jié)冰情況如圖5 所示。

圖5－20 ℃下試樣在不同傾斜角度下的結(jié)冰情況Fig.5 The growth of ice on the samples at different inclination angles at－20 ℃

從圖5 中可以看到，低溫持續(xù)3 min 后，2 個試樣表面均有覆冰形成，但覆冰的體積隨著傾斜角度的增加而減小。在同一個試樣表面，覆冰的透明度隨著傾斜角度增加而增大。不同的是，當(dāng)傾斜角度一致時，普通表面的冰層體積、厚度均大于超疏水表面的冰層。不同傾斜角度下的水滴捕獲質(zhì)量及捕獲率見表2。不同試樣表面對水滴的捕獲質(zhì)量及捕獲率隨傾斜角度的變化規(guī)律見圖6。

表2 不同傾斜角度下的水滴捕獲質(zhì)量及捕獲率Table 2 The capture mass and capture rate of droplets at different inclination angles

圖6 不同試樣表面對水滴的捕獲質(zhì)量及捕獲率隨傾斜角度的變化規(guī)律Fig.6 Variation of the capture mass and capture rate of droplets on surfaces of different samples with the angle of inclined surface

由圖6 可見，低溫持續(xù)3 min 后，2 個試樣表面的水滴捕獲質(zhì)量以及捕獲率都隨傾斜角度的增大而減小。當(dāng)傾斜角度從10°增大到60°時，普通表面和超疏水表面的水滴捕獲率分別下降了77%和81%。從力學(xué)的角度分析，這是由于傾斜角度的增大使水滴自身重力更容易克服試樣表面以及覆冰對水滴的黏附力，從而加快水滴沿傾斜面流動的速度，降低水滴與試樣表面之間的熱交換，延長水滴達(dá)到克服冰核形核能障所需過冷度的時間。因此，試樣的傾斜角度越大，水滴的結(jié)冰速率越慢，冰層厚度越薄。

當(dāng)試樣傾斜角度超過30°時，隨著傾斜角度的繼續(xù)增大，2 個試樣表面的水滴捕獲質(zhì)量以及捕獲率減小的速率明顯變緩。這是由于在同一個試樣表面，水滴重力沿斜面的分力是影響水滴流速，進而影響水滴與試樣之間熱交換以及水滴結(jié)冰速率的重要因素。當(dāng)傾斜角度為10°時，水滴重力沿斜面的分力約為重力的17%。當(dāng)傾斜角度增大至30°時，該分力約為水滴重力的50%，相比10°時有顯著的增大，因此水滴在30°傾斜表面的流速相比10°的傾斜表面有明顯的提高，導(dǎo)致試樣表面捕獲水滴的質(zhì)量以及捕獲率顯著下降。但當(dāng)傾斜角度增加至45°、60°時，水滴重力沿斜面的分力分別為重力的71%和86%，該分力隨傾斜角增加而增大的速率有所下降。因此試樣表面水滴流速增大的速率也隨傾斜角度的增大而變緩，被捕獲的水滴質(zhì)量以及捕獲率變化較小。

此外，由圖6 可見，在低溫持續(xù)3 min 后，不同的傾斜角度下，超疏水表面對水滴的捕獲質(zhì)量以及捕獲率始終低于普通表面。但隨著傾斜角度的增大，二者之間的差距有減小的趨勢。因此，在相同條件下，表面傾斜角度越小，超疏水表面抑制冰層生長的作用越明顯。

2.3 試樣表面溫度對水滴捕獲質(zhì)量及捕獲率的影響

將具有超疏水表面的鋁合金試樣與普通表面的鋁合金試樣傾斜放置在半導(dǎo)體制冷臺表面，試樣傾斜的角度設(shè)置為30°。連續(xù)不斷的水滴從距離試樣表面10 mm 的高度自由下落，撞擊試樣表面并沿表面滾動。低溫持續(xù)的時間為3 min，流過試樣表面的水滴總質(zhì)量為4.0 g。半導(dǎo)體制冷臺的表面溫度分別設(shè)置為－10，－15，－20 ℃。不同溫度下試樣表面的結(jié)冰情況如圖7 所示。

圖7 不同溫度下試樣表面的結(jié)冰情況Fig.7 The growth of ice on the surfaces of samples at different temperatures

從圖7 可以看出，低溫持續(xù)3 min 后，隨著半導(dǎo)體平臺溫度的降低，2 個試樣表面覆冰的體積都在逐漸增大，且冰層的透明度逐漸變差。不同溫度下的水滴捕獲質(zhì)量及捕獲率見表3。不同試樣表面對水滴的捕獲質(zhì)量及捕獲率隨半導(dǎo)體平臺溫度的變化規(guī)律見圖8。

表3 不同溫度下的水滴捕獲質(zhì)量及捕獲率Table 3 The capture mass and capture rate of droplets at different temperatures

圖8 不同試樣表面對水滴的捕獲質(zhì)量及捕獲率隨半導(dǎo)體平臺溫度的變化規(guī)律Fig.8 Variation of the capture mass and capture rate of droplets on different surfaces of samples with the temperature of the semiconductor refrigeration device

從表3 和圖8 可以看出，隨著半導(dǎo)體平臺溫度的降低，被捕獲的水滴質(zhì)量及捕獲率在增大。這是由于平臺溫度越低，水滴與試樣之間的熱交換越強，水滴獲得的過冷度越大，更容易克服冰核形核所需的能障。因此，冰的形核速率以及生長速率都隨著溫度的降低而加快。此外，溫度從－10 ℃降低至－20 ℃時，普通表面和超疏水表面的捕獲率分別提高了64%和61%。且隨著溫度降低，超疏水表面和普通表面對水滴的捕獲質(zhì)量以及捕獲率的差值均逐漸增大。由此可見，在低溫持續(xù)時間為3 min 的條件下，溫度越低，超疏水表面延緩冰層生長速率的效果越顯著。

3 結(jié) 論

(1)超疏水表面和普通表面鋁合金捕獲水滴的質(zhì)量隨著低溫持續(xù)時間的延長而逐漸增加，對水滴的捕獲率隨低溫持續(xù)時間的延長而逐漸降低。在－20 ℃，低溫持續(xù)時間不超過7 min 的情況下，超疏水表面可以延緩冰層的生長速率，且低溫持續(xù)的時間越短，超疏水表面抑制冰層生長的效果越顯著。

(2)超疏水表面和普通表面的水滴捕獲質(zhì)量以及捕獲率都隨表面傾斜角度的增大而減小。在－20 ℃持續(xù)3 min 的條件下，傾斜角度從10°增大至60°時，普通表面和超疏水表面的水滴捕獲率分別下降了77%和81%。但傾斜角度超過30°后，被捕獲的水滴質(zhì)量以及捕獲率隨傾斜角度增大而減小的速率明顯變緩。盡管超疏水表面對水滴的捕獲質(zhì)量及捕獲率始終低于普通表面，但隨著傾斜角度的增大，二者之間的差距逐漸縮小。因此，在相同條件下，表面傾斜角越小，超疏水表面抑制冰層生長的作用越明顯。

(3)隨著表面溫度的降低，超疏水表面和普通表面捕獲的水滴質(zhì)量及捕獲率都會增大。低溫持續(xù)3 min的情況下，溫度從－10 ℃降低至－20 ℃，普通表面和超疏水表面的水滴捕獲率分別提高了64%和61%。且表面溫度越低，超疏水表面和普通表面對水滴的捕獲質(zhì)量以及捕獲率的差值均逐漸增大。因此，在相同條件下，表面溫度越低，超疏水延緩冰層生長速率的效果越顯著。