超疏水表面抗结冰性能研究进展

表面超疏水研究的一个重要应用，就是抗结冰， 即延迟、降低甚至完全阻止湿雪、冰、霜在固 体表面堆积，大量研究证明，表面超疏水化能 降低冰的粘附强度、延迟冰的增长。
一、结冰和结霜的机理 二、超疏水抗结冰结霜的机理 三、外在因素对疏水表面抗结冰结霜的影响
1、水在低于冰点时结冰，-40°C是 液态水均相成核的冰点，固体表面 通常存在异向成核结冰（冰点均高 于-40°C）。
将得到的这些超疏水表面分别置于湿度为30%、60%和90%， 温度在-10~30°C之间变化的环境中，观察到液滴在壁面温度 为0°C以下，湿度为30%时保持为超冷水状态，其接触角的平 均值变化也不大，分别为162.2°±2.0°、161.2°±2.6°、 156.2°±2.2°。具体结果如图：
PFO、PA、RTV涂层在RH为30%、60%、90%，温 度在-10~30°C变化时的接触角
荷叶表面的微纳米结构
环境因素的影响
液滴下落高度的影响
2011年Long Yin等利用纯净的铝棒在HCl（37%质量分数，40mL），和HF （40%质量分数，2.5mL），混合溶液中浸泡20s，用去离子水洗净干燥处 理后分别涂覆表面能的有机涂层PFO、PA和RTV，然后测的其表面的接触 角均在160°左右，滚动角均小于5°，符合超疏水表面的定义，其测量结果 如下：
超疏水表面上的微纳 米粗糙结构通常比较 脆弱，容易因加工和 使用过程中的冲击、 摩擦等机械作用而损 坏，从而失去超疏水 性。为此Yuanyi Wang等研究了在一 定的温度和湿度下液 滴从不同高度滴落在 超疏水表面上的表现。 结果如图：
超疏水铝表面的结冰量随滴水高度的变 化图
超疏水铝表面的结冰Байду номын сангаас随滴水高度的变 化图
霜层高度随冷表面温度 的变化规律
对比研究天然荷叶表面和 人造超疏水表面在控制水 汽凝结条件下超疏水性能 的稳定性。通过计算和测 试各表面在-10~30°C， 相对湿度分别为10%、 30%、60%、90%的条件下 的滚动角和接触角，发现：
当相对湿度较低（低于60%） 时，荷叶表面和仿荷叶表 面的超疏水性能都能不受 温度变化的影响；而当湿 度较高时，由于水汽的逐 步凝结使各表面的接触角 下降，滚动角增大。
分析认为荷叶表面和仿荷叶超疏水表面由于凝结的 水汽浸入其微米结构中发生了Cassie状态向Wenzel 状态的转换，从而使其接触角下降。这些研究有助 于理解表面结构和环境因素的协同效应对排水性的 影响，同时也说明仿荷叶超疏水表面并不适合应用 于抗凝露，因此需要从自然界中寻找新的灵感来设 计抗凝露性能的超疏水表面，在设计超疏水表面时， 要考虑其在实际应用中的可行性，要求其不仅要有 合适的结构而且要有环境适应能力。
结冰和结 霜的机理
3、当过冷水中出现尺 寸大于临界冰核（成核 阶段）的冰粒时，才开 始结冰。
2、随着表面温度的降 低，0°C以下的水变成 过冷水。当水温降低 到冰点时，水分子的 排列更为规整即产生 了无数超微冰晶。
4、在过冷水中冰核长大 （核长大阶段），最终 成为宏观状态下的冰， 与结冰不同，霜是水蒸 气直接凝华作用（与升 华过程相反）形成的固 体冰粒（或先冷凝形成 液态水再凝固形成固体 冰粒）
液滴从一定高度下落时具备了较大的 速度，使得液滴能够进入固体表面的 粗糙结构间隙，占据了粗糙结构间隙 里空气的位置，造成液滴与固体表面 的直接接触，表现为Wenzel模型，从 而失去了超疏水性，甚至当液滴高度 达到一定值时，水滴降落时对超疏水 铝表面的冲击力增大而且对表面收到 的破坏就会越来越严重，致使表面的 某些部分失去超疏水而结冰。因此固 体表面除需具备超疏水性外还应具备 较高的机械强度，以使其表面的粗糙 结构或涂层在较高的冲击力之下不被 破坏而失去超疏水性能，这也是今后 超疏水表面研究需要突破的一个方向。
超疏水表面抗结冰性 能研究进展
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在输电通信线路，航空、航海或高铁运输等设备上结 冰，可能造成不同程度的危害。
人们提出了许多表面防覆冰和抗结冰的方法。传统的 防覆冰方法大多基于融冰和除冰、例如热力融冰、过 电流融冰、短路融冰、带负荷融冰、高频脉冲电流加 热震荡、敷设发热导体等。但是这些方法不能根本解 决问题。