1、2017 年第 17 期航空制造技术 55 智能材料与结构 Smart Materials and Structures 基于疏水功能表面的飞机防覆冰 机理研究进展 * 于竞尧 1 ，薛 磊 2 ， 陶海岩 1 ， 林景全 1 （1. 长春理工大学理学院， 长春 130000； 2. 航空工业成都凯天电子股份有限公司， 成都 610000） 摘 要 如何规避飞机结冰产生的飞行安全隐患一直是航空领域的重要问题。近年来， 疏水材料表面被动防覆冰概 念被提出并快速发展起来。首先介绍了在液滴冲击阶段防止表面结冰的机理及方法， 系统综述了包括减少水滴与表 面接触时间以及减少冰核形成时间的研究方案。又进一
2、步介绍了液滴结冰后的防覆冰机理， 综述了通过优化疏水表 面性能及微纳结构形貌减小冰黏附力的研究进展。最后对疏水表面防覆冰的发展趋势进行了展望。 关键词： 飞机防覆冰； 飞机结冰机理； 疏水功能表面 DOI:10.16080/j.issn1671-833x.2017.17.055 于竞尧 硕士研究生， 主要研究方向为飞秒 激光制备金属表面微纳结构及其特性。 飞机在飞行过程中， 关键部位出 现结冰的现象， 是目前飞机飞行最大 的安全隐患。飞机表面结冰， 其本质 就是飞机在云、 雾、 雨或雪等气象条 件下飞行时， 由于水滴冻结或水汽 凝结而在飞机的机翼、 机身、 发动机 进气道、 螺旋桨、 直升机旋
3、翼、 机外传 感器等表面积聚成冰层。根据现象 分析， 飞机结冰主要可以分为 3 种形 式 1 ： 凝华结冰、 干结冰、 滴状结冰， 相对而言， 凝华结冰与干结冰出现的 几率小且对飞机飞行时危害较小， 但 滴状结冰对飞机飞行时性能及飞行 安全的危害是很大的， 也是目前主要 的研究目标。 气象学研究表明， 在一定的条件 下， 云层中可以携带大量的过冷水 滴， 当飞机穿越这类云层时， 过冷水 滴会撞击在飞机的迎风部件表面， 这 时就会有结冰的现象出现， 这类结冰 就是滴状结冰。而这种气象条件在 飞机飞行过程中是不可避免的。为 了保障飞机飞行时的安全， 在很早以 前， 飞机配备防冰装置就已列为飞机 出
4、场的基本指标。现阶段传统的除 防冰技术多基于除冰、 融冰的方向考 虑， 待冰形成后再以热力除冰、 机械 除冰或化学除冰等方式去除， 从未考 虑过在结冰前阻止冰的形成， 并且传 统方法在很大程度上存在能耗高、 除 冰废液多、 除冰效率低下等问题， 与 当代倡导的 “绿色环保、 高效节能” 等航空可持续发展的理念相反。 近些年来， 表面防覆冰技术有了 新的进展， “超疏水防冰表面” 概念 被提出， 超疏水材料以其自身高接触 角与低滚动角， 可以使水滴不在表面 停留而直接回弹或者滚落的优点， 有 效地减少了水滴与机体表面的接触 时间， 避免了水滴与机体表面进行热 传导而结晶成冰滴， 更不能与周围的
5、冰滴再结晶生长成冰块。因此， 如果 飞机采用 “超疏水防冰表面” ， 在穿 越云层过程中不容易在机体表面发 生结冰 1 。所以超疏水表面的制备 及防冰性能的表征与机理成为了热 * 基金项目 ： 国家自然科学基金项目 （ 6 1 6 0 5 0 1 7 ） ； 中航工业凯天产学研横向合 作项目 ； 长春理工大学青年科学基金项目 （XQNJJ-2015-01） 。56 航空制造技术2017 年第 17 期 FORUM 论坛 门研究课题， 本文详细概述了 “超疏 水防冰表面” 在不同情况下的成冰 机理及防冰策略。 液滴冲击阶段的防覆冰机理 当周围环境温度低于冰点时， 液 态水的水滴与表面相接触， 在
6、低温环 境的作用下， 水滴常常积聚在表面凝 结成冰， 在飞机飞行过程中， 这种情 况通常以 “冻雨” 的形式出现， 由于 超疏水防冰表面以其自身优异的疏 水特性在解决这个问题上有着独特 的优势 2-4 。从目前研究成果来看， 液滴冲击阶段的防冰策略可以用以 下两种方法来预防： （1） 在表面形成冰核之前， 最大 限度减少水滴与表面接触时间， 使液 滴迅速脱落； （2） 通过材料表面形貌的改良、 改变表面粗糙度等方式让表面上积 聚的液滴延迟形成冰核 5 。 1 减少液滴与表面接触时间 在一定条件下， 由于极低的接触 角滞后现象， 水滴冲击超疏水表面将 会导致回缩和回弹 5 。利用这个现 象， 即
7、使表面周围环境温度低于冰 点， 超疏水表面也可以动态的防止冰 的形成。 如图 1 所示， Mishchenko 等在基 板为 30倾斜角时， 周围环境温度 在 -560 、 表 面 温 度 在 -3020 的范围内， 研究液滴形态及大小分别 对亲水、 疏水、 超疏水表面上冰形成 的影响 6 。研究结果表明， 在超疏水 表面上冰的形成， 很大程度上取决 于超疏水表面温度， 与过冷水滴的 大小无关。当表面温度高于 -25 时， 水滴可以在超疏水表面上冻结 发生之前完全回缩， 但是在光滑的 亲水和疏水表面则很快就会形成冰 核， 出现结冰现象。而针对于结冰现 象， Bahadur 等 7 提出了一个对
8、于液 滴冲击超疏水表面后， 水滴与表面接 触时间、 热量转换和冰晶成核理论相 结合的结冰模型， 这个模型将水滴冲 击超疏水表面的多个动态过程整合 为一体。在这个模型中， 当水滴撞击 过冷表面时， 在表面结构的顶端开始 形成冰核， 导致冲击水滴的回缩力减 少， 造成水滴的不完全回缩甚至水滴 在表面完全冻结。如果水滴与表面 的接触时间小于冰成核时间， 那么水 滴将不会在表面发生冻结。Alizadeh 等 8 对在不同温度条件下化学修饰 后的光滑及粗糙疏水表面的水滴冲 击动力学进行了研究。研究结果也 表明， 材料表面温度会影响水滴在其 表面的扩散与收缩过程。在相似的 研究中， Maitra 等 9
9、进行了极冷液 滴对超疏水微纳结构表面冲击动力 学的研究， 如图 2 所示， 通过对冲击 后表面图案的分析， 可以得到液滴侵 入微纳内部的情况， 研究结果表明， 相比于室温条件， 低温情况下液滴更 容易浸入微结构内部产生结冰现象， 这也是微纳结构形貌对防冰效果影 响的重要原因。 低温环境液滴冲击表面动力学 研究结果发现 10-15 ， 液滴动力学行为 与常温环境下具有明显的差异： 在 室温条件下， 大多数疏水表面在水滴 冲击表面时， 呈现的应为 Cassie 状 态的润湿行为， 如图 3（a） 所示， 即 水滴不会渗入到表面的微纳结构中 而是短暂地停留于表面上发生回弹 或滚落； 当周围环境温度极
10、低时， 水 滴会因为环境因素， 在冲击的过程中 使表面微纳结构中维持超疏水稳定 性的空气腔失效， 从而使液滴渗入到 结构中， 形成冰核结晶， 破坏了原有 的 Cassie 超疏水状态， 造成了 Cassie 状态向 Wenzel 状态的润湿功能转 换， 如图 3（b） 所示。因此， 液滴撞 击表面后， 怎样保持表面拥有稳定的 Cassie 状态的超疏水性能 16 ， 是液滴 可以实现完全回弹的前提， 同时也是 提高防覆冰性能的关键问题。 图1 当温度高于-25时，水滴撞击亲水、疏水与超疏水表面 Fig.1 When the temperature is higher than -25 , th
11、e water droplets impact the hydrophilic, hydrophobic and superhydrophobic surfaces 亲水 疏水 超疏水 冲击 扩散 收缩 冻结 30 5mm r max r max r min r min r max r min=0 r max r min r max 0 T -252017 年第 17 期航空制造技术 57 智能材料与结构 Smart Materials and Structures 2 减少冰核形成时间 虽然可以通过促进撞击液滴弹 跳使水滴脱落来快速减少冰晶成核 的时间， 但在静态条件下， 通过表面 形貌和化
12、学改性来延迟冰核的形成 也是必不可少的方法。目前， 有许 多研究团队发现在拥有微纳结构的 超疏水表面上可以延迟冰晶成核 5 。 他们还发现拥有纳米尺寸粗糙度的 超疏水表面会对冰晶成核的时间有 很大的影响， 而且拥有微米与纳米相 结合的分层复合结构也会进一步影 响冰晶成核的时间。 如 图4所 示 ， C a o等 17 利用纳 米颗粒和聚合物复合的涂料在铝 表面实现超疏水性， 首先设计直径 20nm 的颗粒， 与直径 100nm 的颗粒 进行对比， 通过试验后结果显示， 直 径为 20nm 的颗粒比直径 100nm 的 颗粒拥有较低的冰成核几率， 同时通 过与原始铝表面的对比， 证明了超疏 水表
13、面具有优异的抗结冰性能， 且其 抗结冰性能与纳米颗粒的尺寸有关， 利用优化参数制备的表面， 可以有效 避免 -20的过冷水在表面的结冰。 此外， 经过一系列表面的化学成分分 析及形貌观测， Eberle 等 18 通过 试验进一步研究证明， 纳米尺寸粗糙 度与微米尺寸粗糙度相结合的微纳 复合结构与单一纳米结构表面相比 较可以延迟水滴冻结时间。 在 -21 时， 这种微纳复合结构的超疏水表面 可将液体冻结时间推迟 25h。 液滴结冰后的防覆冰机理： 减小冰与表面黏附力 当前， 虽然各课题组研究人员在 防冰前期的液滴冲击阶段做了很多 试验， 也找到了很多种防止液滴结冰 的策略。但是在一些极端空气条
14、件 下， 经过液滴冲击阶段后， 液体因为 周围气温过冷、 自身速度过快、 液滴 体积过大等原因而没有回弹或离开 表面， 超疏水表面依旧还是会发生 结冰现象。假设初始水滴结冰形成 （a） Cassie 状态 （b） Wenzel 状态 图3 润湿行为 Fig.3 Wetting behavior 图2 超疏水纹理表面冲击动力学 Fig.2 Surface impact kinetics of superhydrophobic texture 截留的气泡 部分渗透 部分渗透 全部渗透 部分渗透 部分 渗透 全部渗透 全部 渗透 截留的气泡 （a） 在室温条件下 （b） 低温条件下 2mm 2mm
15、2mm 图4 经过处理的铝表面与未经处理的铝表面在外界温度为-20时的疏水特性 Fig.4 Hydrophobic properties of treated aluminum surface and untreated aluminum surface at ambient temperature of -20 冰只形成在 底部边缘 当过冷水滴撞击 在金属板表面时 立即形成了冰 过冷水滴 （-20） 未处理的铝板 有涂层的铝板58 航空制造技术2017 年第 17 期 FORUM 论坛 了冰滴并且没有得到及时清除， 冰滴 就会快速积累生长成对安全造成威 胁的冰层。这时， 如果冰滴与表面的 结
16、合力 （ 冰黏附力 ） 不强， 飞机飞行 中伴随周围风力作用就会将其清除。 从冰黏附力形成机理分析 19-20 ，在 物 理角度， 所谓的冰黏附力主要来源于 冰与物体表面形成的范德瓦耳斯力 和静电相互作用力。由于冰表面的 电荷无时无刻不在与固体表面的感 应电荷相作用， 所以会以静电相互作 用的理论作为解释冰黏附力的主导 机制。从化学角度来看， 大多数固体 表面上都会存在羟基， 而在羟基表面 上通过与氢键的相互作用也可以增 加冰的附着力。 对于怎样减少其凝结的冰滴与 表面间的作用力， 从目前情况来看， 可以通过多种试验去进行验证。美 国空军研究试验室与麻省理工学院 合作 21 ， 经过对光滑钢板
17、与其余 21 种带有不同润湿性涂层的光滑钢板 测量冰黏附力， 得出了冰黏附力的平 均强度， 然后通过测量接触角， 得出 了接触角与冰黏附力的关系， 表面制 备疏水润湿特性薄膜后其水润湿特 性会对冰黏附产生影响， 接触角越 大其相应的冰黏附力便越小， 而后， 将光滑钢板上涂上含氟的多面体低 聚倍半硅氧烷的涂层， 其结果显示， 冰黏附力的平均强度比之前减少了 80%。随后， Ling 等 22 通过激光刻 柱、 编织不锈钢网以及多层碳纳米管 覆盖钢网 3 种方式制备出了 3 种不 同表面， 编织的不锈钢网表现出最佳 的性能， 相比于抛光的不锈钢表面， 减少了 93% 的冰黏附力； 而相比于 未经过
18、加工的铜表面， 具有方形支柱 的表面表现出了较高的黏附力， 冰黏 附力增加高达 67% 22 。相同的结论， Yong 等 23 在大气环境下的化学超 疏水薄膜冰黏附性能的研究中也发 现， 表面形貌在降低冰黏附力中也起 到了重要作用。He 等 24-25 通过等 离子刻蚀与电化学腐蚀方法在硅片 表面制备不同形貌， 研究了微结构形 貌对其表面冰黏附力的影响规律， 试 验结果表明， 双尺度的微纳米复合结 构更有利于降低冰黏附力。因此如 何优化表面形貌也是降低冰黏附力 的重要研究内容之一。 为了更好地研究结冰现象， 就 需要测量水滴凝结后表面的冰黏附 力， 关于测量冰黏附力的方法科学家 及工程师采取
19、了多种方式， 典型的 有： Jellinek 等 26 利用在容器上冻结 一定体积的冰柱， 然后通过测力探针 去推动冰柱， 当冰柱被推动时， 测力 探针显示的力就为冰黏附力； Laforte 等 27 为将水滴冻结在离心机上形成 冰柱， 然后启动离心机， 当冰柱从离 心机上脱落时， 此时的离心力就为 冰黏附力； Dou 等 28 等通过化学涂 层法制备出了超疏水表面， 如图 5 所 示， 并且通过可控温度与风速的风洞 进行风阻力模拟， 对结冰冰块进行试 验， 当冰块被风吹动时， 风对于冰块 的压力即为冰黏附力。 虽然目前对于冰黏附力测试的 方法很多， 但不同方法测量的冰黏附 力存在差异性， 始
20、终缺少一个标准化 的方法去表征， 因此未来研制标准化 的试验室冰黏附力测试设备也是一 个重要的研究方向。 结论 本文对超疏水表面防覆冰机理 进行了系统的综述， 针对液滴与机体 表面作用不同阶段的飞机结冰机理 可以提出多种防覆冰应对策略。然 而， 如何平衡各个阶段防覆冰机理， 从而综合考虑并设计兼顾各种结冰 机制的综合防覆冰解决方案是未来 要面对和解决的重要问题。同时， 如 何提高稳定性及可靠性也是一个重 要研究内容。 参 考 文 献 1 林贵平 , 卜雪琴 , 申晓彬 , 等 . 飞机结 冰与防冰技术 M. 北京 : 北京航空航天大学出 版社 , 2016. LIN Guiping, BU X
21、ueqin, SHEN Xiaobin, et al. Aircraft icing and anti icing technologyM. Beijing: Beihang University Press, 2016. 2 CARRIVEAU R, EDRISY A, CADIEUX P, et al. Ice adhesion issues in renewable energy infrastructureJ. Journal of Adhesion Science and Technology, 2012, 26(4- 5): 447-461. 3 POLITOVICH M K. A
22、ircraft icingJ. Encyclopedia of Atmospheric Sciences, 2003, 358(1776):68-75. 4 SCHUTZIUS T M, JUNG S, MAITRA T, et al. Physics of icing and rational design of surfaces with extraordinary icephobicityJ. Langmuir, 2015, 31(17): 4807-4821. 5 KREDER M J, ALVARENGA J, KIM P, et al. Design of anti-icing s
23、urfaces: smooth, textured or slippery?J. Nature Reviews Materials, 2016, 1(1):15003. 6 MISHCHENKO L, HATTON B, BAHADUR V, et al. Design of ice-free nanostructured surfaces based on repulsion of impacting water dropletsJ. ACS Nano, 2010, 4(12): 699-707. 7 BAHADUR V, MISHCHENKO L, HATTON B, et al. Pre
24、dictive model for ice formation on superhydrophobic surfacesJ. Langmuir, 2011, 27(23): 141-143. 8 ALIZADEH A, BAHADUR V, ZHONG S, et al. Temperature dependent droplet impact dynamics on flat and textured surfacesJ. Applied Physics Letters, 2012, 100(11): 76-99. 9 MAITRA T, ANTONINI C, TIWARI M K, et
25、 al. On supercooled water drops impacting 图5 风力模拟测试 Fig.5 Wind simulation test 风 风 冰柱 冰柱 刮掉 带有涂层的铝合金2017 年第 17 期航空制造技术 59 智能材料与结构 Smart Materials and Structures Research on Anti-Icing Mechanism of Aircraft Based on Hydrophobic Functional SurfaceYU Jingyao 1 , XUE Lei 2 , TAO Haiyan 1 , LIN Jingquan
26、1 (1. School of Science, Changchun University of Science and Technology, Changchun 130000, China; 2. A VIC Chengdu CAIC Electronics Co., Ltd., Chengdu 610000, China) ABSTRACT How to avoid the latent problem caused by ice frozen on the aircraft has been an important issue in the aviation field. Recen
27、tly, the concept of passive anti-icing ice on the surface of hydrophobic materials has been proposed and developed rapidly. In this paper, the mechanism and method of preventing surface icing at the stage of droplet impact are introduced. The research methods including the reduction of the contact t
28、ime of water droplet and surface and reducing the formation time of ice nucleus, are systematically reviewed. And the anti-icing mechanism of the droplets after freezing is also mentioned. The research progress of reducing the ice adhesion by hydrophobic surface performance and micro/nano- structure
29、 morphology is concerned. Finally, the development of hydrophobic surface anti-icing is prospected. Keywords: Aircraft anti-icing; Aircraft icing mechanism; Hydrophobic function surface（ 责编 大漠 ） on superhydrophobic texturesJ. Langmuir, 2014,30(36): 10855-10861. 10 BAHADUR V, GARIMELLA S V. Preventin
30、g the Cassie-Wenzel transition using surfaces with noncommunicating roughness elementsJ. Langmuir, 2009, 25(8): 4815-4820. 11 BARTOLO D, BOUAMRIRENE F, VERNEUIL E, et al. Bouncing or sticky droplets: Impalement transitions on superhydrophobic micropatterned surfacesJ. Europhysics Letters, 2005, 74(2
31、): 299. 12 DENG T, VARANASI K K, MING H, et al. Nonwetting of impinging droplets on textured surfacesJ. Applied Physics Letters, 2009, 94(13): 481. 13 EXTRAND C W. Designing for optimum liquid repellencyJ. Langmuir, 2006, 22(4): 1711-1714. 14 LIU B, LANGE F F. Pressure induced transition between sup
32、erhydrophobic states: configuration diagrams and effect of surface feature sizeJ. Journal of Colloid & Interface Science, 2006, 298(2): 899-909. 15 ISHINO C, OKUMURA K, QUR D. Wetting transitions on rough surfacesJ. Europhysics Letters, 2004, 68(3): 419-425. 16 LONG J, LIN P, FAN P, et al. Cassie- s
33、tate stability of metallic superhydrophobic surfaces with various micro/nanostructures produced by a femtosecond laserJ. Langmuir , 2016, 32(4): 1065-1072. 17 CAO L, JONES A K, SIKKA V K, et al. Anti-icing superhydrophobic coatingsJ. Langmuir, 2009, 25(21):12444-12448. 18 EBERLE P, TIWARI M K, MAITR
34、A T, et al. Rational nanostructuring of surfaces for extraordinary icephobicityJ. Nanoscale, 2014, 6(9): 4874-4881. 19 WILEN L A, WETTLAUFER J S, ELBAUM M, et al. Dispersion-force effects in interfacial premelting of iceJ. Phys Rev B Condens Matter, 1995, 52(16): 12426-12433. 20 IVAN A, RYZHKIN, PET
35、RENKO V F. Physical mechanisms responsible for ice adhesionJ. Journal of Physical Chemistry B, 1997, 101(32): 6267-6270. 21 MEULER A J, SMITH J D, VARANASI K K, et al. Relationships between water wettability and ice adhesionJ. ACS Applied Materials & Interfaces, 2015, 2(11): 3100-3110. 22 LING E J Y
36、, UONG V, RENAULTCRISPO J, et al. Reducing ice adhesion on nonsmooth metallic surfaces: wettability and topography effectsJ. ACS Applied Materials & Interfaces, 2016, 8(13): 8789-8800. 23 YONG H Y, MILIONIS A, LOTH E, et al. Atmospheric ice adhesion on water- repellent coatings: wetting and surface
37、topology effectsJ. Langmuir, 2015, 31(48): 13107- 13116. 24 HE Y, JIANG C, CAO X, et al. Reducing ice adhesion by hierarchical micro- nano-pillarsJ. Applied Surface Science, 2014, 305(3): 589-595. 25 HE Y, JIANG C, WANG S, et al. Ice shear fracture on nanowires with different wetting statesJ. ACS Ap
38、plied Materials & Interfaces, 2014, 6(20): 18063-18071. 26 JELLINEK H H G, KACHI H, KITTAKA S, et al. Ice releasing block-copolymer coatingsJ. Colloid and Polymer Science, 1978, 256(6): 544-551. 27 LAFORTE C, BEISSWENGER A. Icephobic materials centrifuge adhesion testC/ IWAIS, Montr al, 2005. 28 DOU R, CHEN J, ZHANG Y, et al. Anti-icing coating with an aqueous lubricating layerJ. ACS Applied Materials & Interfaces, 2014, 6(10): 6998-7003. 通讯作者 ： 陶海岩， 讲师， 研究方向为飞秒激 光 与 微 纳 结 构 制 备， E-mail: hytaocust.edu. cn。
