江华阳等：低冰粘附强度表面设计与制备研究进展 1421 失效s]事实上，当液体处于Cassie状态时结冰将 面处存在形变失配.温度降低，冰粘附强度反而可 在固体表面和冰之间引入空隙而降低剪切强度4] 能下降.制冰过程对冰粘附强度也存在显著影响 通过控制成核等因素使得水滴保持Cassie态在表 制备过程中延长冻结时间会使测得的冰粘附强度 面结冰，是SHSs实现防/除冰一体化的一种思路 升高，冷冻过程中降温速率过快可能导致冰-固界 1.5.2鱼鳞仿生表面 面处产生热应力，导致测试结果偏小5测]此外，样 受鱼表面鳞片层叠结构的启发，Xiao等提 品转移的过程中或测试过程中发生的温度变化也 出顺序断裂机理.鱼鳞状的表面改变冰从基材上 会引起冰与表面热失配而影响测试结果59 的分离模式，从传统表面的同时断裂过程变为连 冰粘附强度测试过程中，探针速率是否会对 续断裂过程，从而获得更低的冰粘附强度.通过分 其造成影响与表面是否具有黏弹性相关.例如， 子动力学模拟发现，在连续断裂模式下，无需同时 PDMS具有黏弹性，除冰测试中探针速率的影响较 破坏原子相互作用.与同时破坏相比，连续断裂时 为显著.当探针速率低于临界断裂速率时，冰将在 发生的位移更长，能量深度得以延长，因此得到更 表面发生滑动而非断裂，此时，速率越大测得的冰 低的粘附强度 粘附强度越大.相反，探针速率对坚硬的聚甲基苯 烯酸甲酯(Polymethyl methacrylate,.PMMA)表面除 2测试标准分析 冰测试则几乎没有影响6网.部分研究者对不同剪 由于缺乏统一的测量标准，已报道文献中的 切模量和厚度的弹性体表面进行实验，确定了临 冰粘附强度测试方法和测试参数均不同，导致测 界剪切速率为0.1mms6】 试结果存在较大差异.如图11所示，同类型表面 探针距离表面的高度对冰与表面的断裂方式 冰粘附性能的数据范围大，只能从中得到不同表 有显著影响，探针位置H的升高将产生弯矩使断 面性能的趋向而非性能的直接比较，下文将分析 裂方式从剪切断裂转变为剪切-拉伸断裂的混合， 测试过程中的主要变量参数以及产生的影响， 测得的冰粘附强度降低6]如图12所示 1000 一 Probe 100 图12探针高度对脱粘附方式的影响((I)纯剪切，（Ⅱ）弯矩增加， (Ⅲ)剪切和拉伸叠加) Fig.12 Influence of probe height on the mode of deadhesion((I)pure shear,(II)bending moment increase,and (I)shear and stretch Flourinated Superhydrophobic materials Liquid-infused superimposition) surfaces(Cassie state) Self-lubricating surfaces surface Stress-localized and surfaces 2.1.2测试方法 现有相关文献中出现过的测试方法分为以下 Surface type 几类：剪切测试、拉伸测试和离心测试，表1中展 图11不同表面冰粘附强度较大范围差异的直观比 示了近年相关工作中提到的测试方法及其测试参 较-414-2224,29-67s2-4,5 数.离心测试方法通常使用于较小样品，拉伸测试 Fig.11 Intuitive comparison of the ice adhesion strength on different 由于测试过程中容易发生内聚破坏，误差较大，因 surfaces-149-21,225,2.3-6,4La7.s2-5457 此较少使用6，已有工作中冰粘附强度测试方法 2.1测试参数与方式 主要为水平剪切测试，其测试装置易搭建，参数设 2.1.1测试参数 置较为简单 温度参数对冰粘附强度测试结果存在显著影 事实上，由于结冰过程的复杂性以及测试过 响，且与表面类型相关.对于在低温下可保持弹性 程中存在不易消除的误差，任何基材的真实冰粘 的表面，冰粘附强度与温度呈正相关.对于坚硬表 附强度都没有确切的数据.使用水平推拉剪切测 面，由于其与冰的热膨胀系数不同，导致降温时界 试方法，不同研究组测得的铝表面冰剪切强度的失效[55] . 事实上，当液体处于 Cassie 状态时结冰将 在固体表面和冰之间引入空隙而降低剪切强度[48] . 通过控制成核等因素使得水滴保持 Cassie 态在表 面结冰，是 SHSs 实现防/除冰一体化的一种思路. 1.5.2    鱼鳞仿生表面 受鱼表面鳞片层叠结构的启发，Xiao 等[56] 提 出顺序断裂机理. 鱼鳞状的表面改变冰从基材上 的分离模式，从传统表面的同时断裂过程变为连 续断裂过程，从而获得更低的冰粘附强度. 通过分 子动力学模拟发现，在连续断裂模式下，无需同时 破坏原子相互作用. 与同时破坏相比，连续断裂时 发生的位移更长，能量深度得以延长，因此得到更 低的粘附强度. 2    测试标准分析 由于缺乏统一的测量标准，已报道文献中的 冰粘附强度测试方法和测试参数均不同，导致测 试结果存在较大差异. 如图 11 所示，同类型表面 冰粘附性能的数据范围大，只能从中得到不同表 面性能的趋向而非性能的直接比较. 下文将分析 测试过程中的主要变量参数以及产生的影响. 1000 100 10 Flourinated materials Superhydrophobic surfaces (Cassie state) Liquid-infused surfaces Self-lubricating surface Interfacial slippage and low shear modulus Stress-localized surfaces Ice adhesion strength/kPa 1 Surface type 图 11  不同表面冰粘附强度较大范围差异的直观比 较[6−7,14,19−21,23,25,29−31,33−36,41,43,47,52−54,57] Fig.11     Intuitive  comparison  of  the  ice  adhesion  strength  on  different surfaces[6−7,14,19−21,23,25,29−31,33−36,41,43,47,52−54,57] 2.1    测试参数与方式 2.1.1    测试参数 温度参数对冰粘附强度测试结果存在显著影 响，且与表面类型相关. 对于在低温下可保持弹性 的表面，冰粘附强度与温度呈正相关. 对于坚硬表 面，由于其与冰的热膨胀系数不同，导致降温时界 面处存在形变失配. 温度降低，冰粘附强度反而可 能下降. 制冰过程对冰粘附强度也存在显著影响. 制备过程中延长冻结时间会使测得的冰粘附强度 升高，冷冻过程中降温速率过快可能导致冰-固界 面处产生热应力，导致测试结果偏小[58] . 此外，样 品转移的过程中或测试过程中发生的温度变化也 会引起冰与表面热失配而影响测试结果[59] . 冰粘附强度测试过程中，探针速率是否会对 其造成影响与表面是否具有黏弹性相关. 例如， PDMS 具有黏弹性，除冰测试中探针速率的影响较 为显著. 当探针速率低于临界断裂速率时，冰将在 表面发生滑动而非断裂，此时，速率越大测得的冰 粘附强度越大. 相反，探针速率对坚硬的聚甲基苯 烯酸甲酯（Polymethyl methacrylate，PMMA）表面除 冰测试则几乎没有影响[60] . 部分研究者对不同剪 切模量和厚度的弹性体表面进行实验，确定了临 界剪切速率为 0.1 mm·s−1[61] . 探针距离表面的高度对冰与表面的断裂方式 有显著影响，探针位置 H 的升高将产生弯矩使断 裂方式从剪切断裂转变为剪切−拉伸断裂的混合， 测得的冰粘附强度降低[62] . 如图 12 所示. Ⅰ Probe height Ⅱ Ⅲ H 图 12    探针高度对脱粘附方式的影响（（Ⅰ）纯剪切，（Ⅱ）弯矩增加， （Ⅲ）剪切和拉伸叠加） Fig.12    Influence of probe height on the mode of deadhesion((Ⅰ) pure shear,  (Ⅱ)  bending  moment  increase,  and  (Ⅲ)  shear  and  stretch superimposition) 2.1.2    测试方法 现有相关文献中出现过的测试方法分为以下 几类：剪切测试、拉伸测试和离心测试，表 1 中展 示了近年相关工作中提到的测试方法及其测试参 数. 离心测试方法通常使用于较小样品，拉伸测试 由于测试过程中容易发生内聚破坏，误差较大，因 此较少使用[63] . 已有工作中冰粘附强度测试方法 主要为水平剪切测试，其测试装置易搭建，参数设 置较为简单. 事实上，由于结冰过程的复杂性以及测试过 程中存在不易消除的误差，任何基材的真实冰粘 附强度都没有确切的数据. 使用水平推拉剪切测 试方法，不同研究组测得的铝表面冰剪切强度的 江华阳等： 低冰粘附强度表面设计与制备研究进展 · 1421 ·