1414 工程科学学报，第43卷，第10期 summarized in this article.In addition,to eliminate the doubts about the large variations in the reported ice adhesion strength caused by different measurement methods,the measurement standards of ice adhesion are also analyzed and discussed KEY WORDS de-icing;ice adhesion;test standard;surface design;superwetting 冰在裸露表面上的粘附和积聚对人类的生产 分为低表面能表面、润滑表面、界面滑动表面和 和生活造成严重危害.在电力和通信领域，设备与 裂纹源表面等，详细分类如图1所示 线缆上的积冰如不能及时除去，将导致相关设施 1.1低表面能表面 发生倒塌-②2008年南方雪灾，电力设施遭受严 早期研究表明，冰在材料表面的粘附强度大 重破坏，直接经济损失上千亿元.在航空领域，结 小与化学键、范德华力和氢键等因素密切相关5- 冰天气严重威胁飞机的飞行安全.1975一2018年 Petrenk和Peng"7通过实验证明冰粘附强度随着 期间，由结冰引起的灾难性飞行事故占总事故数 表面氢键数量的增加而增加.此外，粗糙表面常使 量的14.3%1船舶结冰严重时可能导致船舶倾 得冰与表面的有效接触面积较大并可能产生机械 覆.韩国海军舰队在俄罗斯海参藏地区遭遇气温 互锁作用，导致冰粘附强度增大利用氟化物等 突降，舰体出现大面积结冰，险些倾覆由于极 低表面能物质对表面进行修饰即可降低表面能， 地具有复杂的海气交换等特点，极地开发面临更 得到低表面能表面. 为严重的结冰灾害，因而迫切需要新的高效低能 1.1.1自组装单分子表面 耗的除冰手段 通过氟硅烷等化学物质对表面进行改性是较 现有的主动除冰方式可分为物理法（机械除 为简单的降低表面冰粘附强度的策略.例如，在铝 冰或电加热除冰)和化学法（喷酒盐水或乙二醇等 合金表面接枝二甲基-正十八烷基硅氧烷等，经干 抗结冰剂)，这些方式具有较高的人力、能源和环 燥固化即可得到自组装单分子层(Self-assembled 境成本.此外，主动除冰在许多场景下难以实现 monolayer,SAM),其表面如图2(a)所示.使用氟硅 如无人机受限于电池容量和机体复杂性，不能采 烷改性可使冰粘附强度降低至86.2±29kPa9-20 用电加热除冰等方式，因此需要一种无需能耗且 但简单改性得到的表面致密性较差（如图2(b)所 自发除冰的除冰方式6-刀.被动除冰主要指在裸露 示)，经受机械摩擦及除冰循环后将容易失效四 的基底上构筑疏冰表面，减少冰的粘附量和降低 积冰的粘附强度.相对于主动除冰，被动方式具有 1.1.2CVD聚合物表面 低能耗、低成本和环境友好等优势，开发低冰粘附 化学气相沉积法(Chemical vapor deposition, 强度表面具有重要意义阁 CVD)可制备较厚的氟化物涂层，但得到的涂层表 疏冰表面包含防冰与除冰两部分.防冰的目 面常存在如图2(c)所示的粗糙结构，机械互锁作 的为抑制表面霜冻和积冰形成，除冰的目的则是 用使其除冰效果不如SAM涂层，已报道的氟化物 降低冰在表面上的粘附强度9.构筑超疏水表面 涂层表面最低粘附强度为134kPa2四后来又发展 (Superhydrophobic surfaces,SHSs)具有一定防冰效 出引发式化学气相沉积法(Initiated chemical vapor 果，但在实际应用中难以达到理想效果0四更加 deposition,iCVD)P).利用这种技术可以在聚二乙 现实的方式是允许一定程度的结冰，但在重力作 烯苯(Poly-divinylbenzene,pDVB)上附加一层全氟 用或轻微的机械振动下易被去除)研究者通常 丙烯酸酯层(Poly-perfluorodecylacrylate,PPFDA), 将冰粘附强度小于60kPa的表面称为低冰粘附强 制备过程如图2(d)所示.该涂层冰粘附强度与 度表面，最终目标是超低冰粘附强度表面，即粘附 CVD法得到的表面相近，但粘附性和机械强度 强度小于l0kPa的表面4 更优2 本文将不同除冰策略的低冰粘附强度表面做 1.2润滑表面 了分类，分析不同表面的设计方法、机理、性能以 早期的润滑表面主要指仿猪笼草内壁结构 及优缺点，并介绍了低冰粘附强度表面性能的测 的超滑表面(Slippery liquid infused porous surfaces, 试方法及标准 SLIPs)2,其结构如图3所示，在超疏水表面填充 润滑液，形成“固/液复合膜层”2%目前，除超滑 1低冰粘附强度表面类型 表面外，也有研究者将润滑液与聚合物基底融合 根据不同的除冰策略将低冰粘附强度表面划 制成缓释涂层或自润滑涂层summarized in this article. In addition, to eliminate the doubts about the large variations in the reported ice adhesion strength caused by different measurement methods, the measurement standards of ice adhesion are also analyzed and discussed. KEY WORDS    de-icing；ice adhesion；test standard；surface design；superwetting 冰在裸露表面上的粘附和积聚对人类的生产 和生活造成严重危害. 在电力和通信领域，设备与 线缆上的积冰如不能及时除去，将导致相关设施 发生倒塌[1−2] . 2008 年南方雪灾，电力设施遭受严 重破坏，直接经济损失上千亿元. 在航空领域，结 冰天气严重威胁飞机的飞行安全. 1975—2018 年 期间，由结冰引起的灾难性飞行事故占总事故数 量的 14.3% [3] . 船舶结冰严重时可能导致船舶倾 覆. 韩国海军舰队在俄罗斯海参崴地区遭遇气温 突降，舰体出现大面积结冰，险些倾覆[4] . 由于极 地具有复杂的海气交换等特点，极地开发面临更 为严重的结冰灾害，因而迫切需要新的高效低能 耗的除冰手段[5] . 现有的主动除冰方式可分为物理法（机械除 冰或电加热除冰）和化学法（喷洒盐水或乙二醇等 抗结冰剂），这些方式具有较高的人力、能源和环 境成本. 此外，主动除冰在许多场景下难以实现. 如无人机受限于电池容量和机体复杂性，不能采 用电加热除冰等方式，因此需要一种无需能耗且 自发除冰的除冰方式[6−7] . 被动除冰主要指在裸露 的基底上构筑疏冰表面，减少冰的粘附量和降低 积冰的粘附强度. 相对于主动除冰，被动方式具有 低能耗、低成本和环境友好等优势，开发低冰粘附 强度表面具有重要意义[8] . 疏冰表面包含防冰与除冰两部分. 防冰的目 的为抑制表面霜冻和积冰形成，除冰的目的则是 降低冰在表面上的粘附强度[9] . 构筑超疏水表面 (Superhydrophobic surfaces, SHSs) 具有一定防冰效 果，但在实际应用中难以达到理想效果[10−12] . 更加 现实的方式是允许一定程度的结冰，但在重力作 用或轻微的机械振动下易被去除[13] . 研究者通常 将冰粘附强度小于 60 kPa 的表面称为低冰粘附强 度表面，最终目标是超低冰粘附强度表面，即粘附 强度小于 10 kPa 的表面[14] . 本文将不同除冰策略的低冰粘附强度表面做 了分类，分析不同表面的设计方法、机理、性能以 及优缺点，并介绍了低冰粘附强度表面性能的测 试方法及标准. 1    低冰粘附强度表面类型 根据不同的除冰策略将低冰粘附强度表面划 分为低表面能表面、润滑表面、界面滑动表面和 裂纹源表面等，详细分类如图 1 所示. 1.1    低表面能表面 早期研究表明，冰在材料表面的粘附强度大 小与化学键、范德华力和氢键等因素密切相关[15−16] . Petrenk 和 Peng[17] 通过实验证明冰粘附强度随着 表面氢键数量的增加而增加. 此外，粗糙表面常使 得冰与表面的有效接触面积较大并可能产生机械 互锁作用，导致冰粘附强度增大[18] . 利用氟化物等 低表面能物质对表面进行修饰即可降低表面能， 得到低表面能表面. 1.1.1    自组装单分子表面 通过氟硅烷等化学物质对表面进行改性是较 为简单的降低表面冰粘附强度的策略. 例如，在铝 合金表面接枝二甲基−正十八烷基硅氧烷等，经干 燥固化即可得到自组装单分子层 (Self-assembled monolayer, SAM)，其表面如图 2（a）所示. 使用氟硅 烷改性可使冰粘附强度降低至 86.2 ± 29 kPa[19−20] . 但简单改性得到的表面致密性较差（如图 2（b）所 示），经受机械摩擦及除冰循环后将容易失效[21] . 1.1.2    CVD 聚合物表面 化 学 气 相 沉 积 法 (Chemical  vapor  deposition, CVD) 可制备较厚的氟化物涂层，但得到的涂层表 面常存在如图 2（c）所示的粗糙结构，机械互锁作 用使其除冰效果不如 SAM 涂层，已报道的氟化物 涂层表面最低粘附强度为 134 kPa[22] . 后来又发展 出引发式化学气相沉积法 (Initiated chemical vapor deposition，iCVD)[23] . 利用这种技术可以在聚二乙 烯苯 (Poly-divinylbenzene，pDVB) 上附加一层全氟 丙 烯 酸 酯 层 (Poly-perfluorodecylacrylate， pPFDA)， 制备过程如图 2（ d）所示. 该涂层冰粘附强度与 CVD 法得到的表面相近，但粘附性和机械强度 更优[24] . 1.2    润滑表面 早期的润滑表面主要指仿猪笼草内壁结构 的超滑表面 (Slippery liquid infused porous surfaces， SLIPs) [25] ，其结构如图 3 所示，在超疏水表面填充 润滑液，形成 “固/液复合膜层” [26] . 目前，除超滑 表面外，也有研究者将润滑液与聚合物基底融合 制成缓释涂层或自润滑涂层. · 1414 · 工程科学学报，第 43 卷，第 10 期