1418 工程科学学报.第43卷，第10期 Shear force Ice Ice Local detachment Homogenous film Homogenous film Substrate Substrate Ice Propagation of air cavity as separation pulses Trapped air cavity Homogenous film Homogenous film Substrate Substrate 图6界面滑动表面冰动态黏滑过程的示意图 Fig.6 Schematic diagrams of the dynamic stick-slip process of ice on the interface sliding surface 用低表面能、低剪切模量的材料可以得到冰粘附 示，当积冰尺寸超过临界尺寸时，界面断裂模式由 强度较低的表面 滑移断裂过渡到裂纹扩展断裂，这一断裂过程与 2016年，Golovin等通过调整聚合物的交联 界面韧性T密切相关.通过聚氯乙烯(Polyvinyl 密度调节其剪切模量，系统地设计出冰粘附强度 chloride,pVC)加塑化剂的组合得到的低界面韧性 小于20kPa的涂层.这种涂层具有良好的耐久性， PVC表面(=0.27Jm2)在积冰尺寸（平行于基体 经历较为刷烈的机械摩擦、酸碱腐蚀、100次结冰 的长、宽尺寸)达到1m时，冰粘附强度低至4kPa, 除冰循环等处理后，并未改变表面弹性模量特性， 远低于普通硅橡胶涂层冰粘附强度(30kPa).此 仍具有较低的冰粘附强度.此外，部分研究者通过 外，低界面韧性涂层所用的PVC、聚苯乙烯 在PDMS体系中加入三甲基封端PDMS(t-PDMS)I2] (Polystyrene,PS)等材料廉价易得，耐久性优异且 或改用聚轮烷这种滑环交联剂)使涂层具有更低 可回收，是一种极具实际应用潜力的除冰材料 的冰粘附强度和更好的机械耐久性 1.4裂纹源表面 界面滑动表面由于其低模量特性，处于砂砾 裂纹源表面存在大量海岛状分布的亚结构， 冲击等严苛环境中仍会遭到机械破坏，因此也可 除冰过程中冰与亚结构所在位置的界面处产生微 在材料体系中引入配位络合物或动态交联剂等， 裂纹，微裂纹尖端在其附近产生弹性应力场，发 赋予表面自修复功能以延长其服役寿命.Zhuo 生应力集中的现象，使得冰粘附强度急剧降低 等]将互穿聚合物网络引入PDMS体系设计新的 (图9(a)48在表面下方引入孔洞是常见的制造 低冰粘附强度材料.该自修复表面冰粘附强度低 裂纹源的策略（图9(b) 至l2kPa(图7(a)).为进一步提高表面的自修复 裂纹源表面的冰粘附强度可利用公式(3)来 性能，Zhuo等在PDMS材料体系中引入脲基团 进行估算： (Polydimethylsiloxane-urea,PDU)作为涂料中的动 EG Tice= (3) 态交联剂，涂料中任何发生机械损伤的区域都可 以自我修复（图7(b)) 其中，E是表观弹性模量，G是表面能.I是裂纹的 界面滑动表面通常为低模量的黏弹性表面， 长度，A是由裂纹的几何构型确定的量纲一常数 但Golovin等7发现在大面积除冰过程中，低界面 由公式(3)可知，当其他参数确定时，冰粘附强度 韧性涂层(Low-interfacial toughness,LIT)比低剪切 与裂纹的长度和几何形状相关， 模量涂层(Low-shear modulus,LSM具有更好的除 He等I1利用硅模板在低模量的PDMS表面 冰效果.临界尺寸可由如下公式(2)得到 下方制造出内部孔洞（图10(a)),亚结构所在处表 观模量低于周围基体.表面的冰受力时，在该处先 L=V2Eice/ (2) 发生与表面的分离，形成初始裂纹.该表面冰粘附 其中，Lc为临界长度，Eice为冰的弹性模量，t为涂 强度可低至5.7kPa.He等so1进一步研究了亚结构 层厚度，为剪切强度，「为界面韧性.如图8所 对冰粘附强度的影响（图10(b)).经实验发现，增用低表面能、低剪切模量的材料可以得到冰粘附 强度较低的表面. 2016 年，Golovin 等[41] 通过调整聚合物的交联 密度调节其剪切模量，系统地设计出冰粘附强度 小于 20 kPa 的涂层. 这种涂层具有良好的耐久性， 经历较为剧烈的机械摩擦、酸碱腐蚀、100 次结冰 /除冰循环等处理后，并未改变表面弹性模量特性， 仍具有较低的冰粘附强度. 此外，部分研究者通过 在 PDMS 体系中加入三甲基封端 PDMS(t-PDMS) [42] 或改用聚轮烷这种滑环交联剂[43] 使涂层具有更低 的冰粘附强度和更好的机械耐久性. 界面滑动表面由于其低模量特性，处于砂砾 冲击等严苛环境中仍会遭到机械破坏，因此也可 在材料体系中引入配位络合物或动态交联剂等， 赋予表面自修复功能以延长其服役寿命[44] . Zhuo 等[45] 将互穿聚合物网络引入 PDMS 体系设计新的 低冰粘附强度材料. 该自修复表面冰粘附强度低 至 12 kPa（图 7（a））. 为进一步提高表面的自修复 性能，Zhuo 等[46] 在 PDMS 材料体系中引入脲基团 （Polydimethylsiloxane-urea, PDU）作为涂料中的动 态交联剂，涂料中任何发生机械损伤的区域都可 以自我修复（图 7（b））. 界面滑动表面通常为低模量的黏弹性表面， 但 Golovin 等[47] 发现在大面积除冰过程中，低界面 韧性涂层 (Low-interfacial toughness，LIT) 比低剪切 模量涂层 (Low-shear modulus，LSM) 具有更好的除 冰效果. 临界尺寸可由如下公式（2）得到 Lc= √ 2EiceΓt/ ∧ τ 2 （2） Lc Eice ∧ τ 其中， 为临界长度， 为冰的弹性模量，t 为涂 层厚度， 为剪切强度，Γ 为界面韧性. 如图 8 所 示，当积冰尺寸超过临界尺寸时，界面断裂模式由 滑移断裂过渡到裂纹扩展断裂，这一断裂过程与 界面韧性 Γ 密切相关. 通过聚氯乙烯 (Polyvinyl chloride，PVC) 加塑化剂的组合得到的低界面韧性 PVC 表面（Γ=0.27 J·m−2）在积冰尺寸（平行于基体 的长、宽尺寸）达到 1 m 时，冰粘附强度低至 4 kPa， 远低于普通硅橡胶涂层冰粘附强度（30 kPa）. 此 外 ， 低 界 面 韧 性 涂 层 所 用 的 PVC、 聚 苯 乙 烯 (Polystyrene，PS) 等材料廉价易得，耐久性优异且 可回收，是一种极具实际应用潜力的除冰材料. 1.4    裂纹源表面 裂纹源表面存在大量海岛状分布的亚结构， 除冰过程中冰与亚结构所在位置的界面处产生微 裂纹，微裂纹尖端在其附近产生弹性应力场，发 生应力集中的现象，使得冰粘附强度急剧降低 （图 9（a）） [48] . 在表面下方引入孔洞是常见的制造 裂纹源的策略（图 9（b）） [49] . 裂纹源表面的冰粘附强度可利用公式（3）来 进行估算[13] ： τice = √ E∗G πlΛ （3） 其中，E *是表观弹性模量，G 是表面能，l 是裂纹的 长度，Λ 是由裂纹的几何构型确定的量纲一常数. 由公式（3）可知，当其他参数确定时，冰粘附强度 与裂纹的长度和几何形状相关. He 等[13] 利用硅模板在低模量的 PDMS 表面 下方制造出内部孔洞（图 10（a）），亚结构所在处表 观模量低于周围基体. 表面的冰受力时，在该处先 发生与表面的分离，形成初始裂纹. 该表面冰粘附 强度可低至 5.7 kPa. He 等[50] 进一步研究了亚结构 对冰粘附强度的影响（图 10（b））. 经实验发现，增 Ice Shear force Local detachment Trapped air cavity Propagation of air cavity as separation pulses Ice Homogenous film Substrate Homogenous film Substrate Homogenous film Substrate Homogenous film Substrate Ice Ice 图 6    界面滑动表面冰动态黏滑过程的示意图 Fig.6    Schematic diagrams of the dynamic stick-slip process of ice on the interface sliding surface · 1418 · 工程科学学报，第 43 卷，第 10 期