液滴撞擊疏水/超疏水表面防結(jié)冰技術(shù)研究進(jìn)展及未來(lái)展望

高淑蓉，金佳鑫，魏博建，王曉東

（1華北電力大學(xué)新能源電力系統(tǒng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 102206；2華北電力大學(xué)工程熱物理研究中心，北京 102206）

引 言

結(jié)冰是液滴在固體表面上發(fā)生過(guò)冷和形成冰晶并生長(zhǎng)的液固相變過(guò)程[1-4]。液滴在表面的結(jié)冰可分為固著液滴結(jié)冰和撞擊液滴結(jié)冰。相比于固著液滴結(jié)冰，撞擊會(huì)誘發(fā)表面產(chǎn)生更多的成核點(diǎn)使液滴更容易結(jié)冰[5]。抑制撞擊液滴的結(jié)冰在能源動(dòng)力、航空航天、交通運(yùn)輸、電力通信等領(lǐng)域具有非常重要的意義（圖1）[6-17]。例如，在航空航天領(lǐng)域，過(guò)冷水滴撞擊飛機(jī)空速管結(jié)冰會(huì)導(dǎo)致其測(cè)速不準(zhǔn)確，使飛行員無(wú)法準(zhǔn)確獲悉航速信息，引發(fā)錯(cuò)誤操作，導(dǎo)致惡性飛行事故。2018年俄羅斯安148客機(jī)就是由于空速管結(jié)冰，導(dǎo)致飛機(jī)失速墜毀[18]。在電力通信領(lǐng)域，過(guò)冷水滴撞擊電纜結(jié)冰會(huì)對(duì)生產(chǎn)和生活構(gòu)成嚴(yán)重危害。2008年我國(guó)南方的冰災(zāi)就是由于凍雨撞擊到通信電纜上形成堅(jiān)實(shí)的冰層導(dǎo)致線路損壞中斷，造成我國(guó)經(jīng)濟(jì)損失1516.5億元[19]。本文主要關(guān)注撞擊液滴的結(jié)冰問(wèn)題。

圖1 撞擊液滴結(jié)冰廣泛存在于航空航天、交通運(yùn)輸、電力通信等領(lǐng)域Fig.1 Impingement droplet icing is widely used in aerospace,transportation,electric power communication and other fields

傳統(tǒng)的防/除冰技術(shù)主要包括氣熱防冰、電熱防冰、液體防冰以及機(jī)械除冰等，這些技術(shù)具有顯著防/除冰效果，但存在能源消耗大、防冰時(shí)間有限以及除冰不徹底等問(wèn)題[20]。因此，尋求經(jīng)濟(jì)、高效并能從源頭上抑制結(jié)冰的新方法是結(jié)冰領(lǐng)域的重要研究方向。受荷葉葉面和水黽等動(dòng)物肢體表面神奇疏水性的啟示（圖2），越來(lái)越多的國(guó)內(nèi)外研究者開始關(guān)注疏水表面在調(diào)控液滴運(yùn)動(dòng)、延緩或減弱壁面結(jié)冰等防結(jié)冰領(lǐng)域的應(yīng)用[21-23]。目前常用的疏水表面防/除冰方法的機(jī)理是采用疏水表面增加冰晶成核勢(shì)壘，延長(zhǎng)冰晶成核時(shí)間[22]；或者降低冰晶與表面的黏附力，使冰層容易去除[23]。然而，上述方法只是增加了結(jié)冰時(shí)間或使結(jié)冰更容易去除，并沒(méi)有從源頭上抑制結(jié)冰。

圖2 荷葉表面微結(jié)構(gòu)(a)；水黽微結(jié)構(gòu)(b)；微納結(jié)構(gòu)(c)Fig.2 Surface microstructure of lotusleaf(a);Water strider microstructures(b);Micro-nano structure(c)

過(guò)去研究發(fā)現(xiàn)，液滴撞擊超疏水表面后會(huì)從表面彈離，這種彈離現(xiàn)象即便在一個(gè)非常小的撞擊速度下也會(huì)發(fā)生（如速度為0.11 m/s，Weber數(shù)為0.07）[24]。這一發(fā)現(xiàn)為從源頭上解決撞擊液滴的結(jié)冰問(wèn)題提供了思路和理論基礎(chǔ)，即利用超疏水表面使撞擊液滴在結(jié)冰前彈離表面，從而實(shí)現(xiàn)抑制結(jié)冰的目的。

本文將基于液滴撞擊冷表面的結(jié)冰問(wèn)題，分別從動(dòng)力學(xué)特性、結(jié)冰特性以及液滴撞擊冷表面的理論建模等方面的研究現(xiàn)狀進(jìn)行闡述，并對(duì)目前關(guān)于撞擊液滴結(jié)冰中存在的一些問(wèn)題進(jìn)行分析。然后，基于撞擊液滴的反彈特性可從源頭上抑制結(jié)冰這種思路，提出降低接觸時(shí)間、增加成核再輝時(shí)間的新方法。最后，對(duì)利用液滴的反彈特性進(jìn)行抑制結(jié)冰的研究進(jìn)行展望。

1 液滴撞擊疏水/超疏水冷表面結(jié)冰的研究進(jìn)展

液滴撞擊冷表面后，會(huì)經(jīng)歷鋪展、回縮、黏附或者反彈等動(dòng)力學(xué)過(guò)程。由于液滴與冷表面存在溫差，在撞擊過(guò)程中液滴同時(shí)會(huì)與冷表面進(jìn)行熱量交換，液滴溫度降低。如圖3(c)所示，液滴從初始溫度降低到成核溫度時(shí)，將在表面發(fā)生核化產(chǎn)生冰晶，這個(gè)過(guò)程被稱為成核過(guò)程，所用時(shí)間被稱為成核時(shí)間，成核是液滴結(jié)冰過(guò)程的控制步驟[2-3]。由于氫鍵網(wǎng)絡(luò)的滲透作用[22]，冰晶在液滴內(nèi)部快速生長(zhǎng)放熱，直至液滴溫度上升到凍結(jié)溫度，形成固液混合物，這個(gè)過(guò)程被稱為再輝過(guò)程[1-2,25]，所用時(shí)間被稱為再輝時(shí)間。顯然，液滴撞擊冷表面的動(dòng)力學(xué)過(guò)程和結(jié)冰過(guò)程相互耦合，能否將這兩個(gè)過(guò)程進(jìn)行解耦研究主要依賴于成核再輝時(shí)間尺度與撞擊時(shí)間尺度之間的量級(jí)關(guān)系?？梢栽O(shè)想，對(duì)于撞擊液滴在表面發(fā)生結(jié)冰的情況，當(dāng)成核再輝過(guò)程發(fā)生在液滴鋪展階段或者回縮階段時(shí)，動(dòng)力學(xué)過(guò)程和結(jié)冰過(guò)程相互耦合相互影響；當(dāng)成核再輝過(guò)程發(fā)生在液滴回縮結(jié)束以后時(shí)，動(dòng)力學(xué)過(guò)程和結(jié)冰過(guò)程可以進(jìn)行解耦研究（如圖3）。過(guò)去一些研究將撞擊液滴結(jié)冰過(guò)程解耦成動(dòng)力學(xué)過(guò)程和結(jié)冰過(guò)程分別研究。然而，由于撞擊液滴結(jié)冰過(guò)程的復(fù)雜性，液滴撞擊表面結(jié)冰的動(dòng)力學(xué)過(guò)程和結(jié)冰過(guò)程的耦合機(jī)制及結(jié)冰機(jī)理有待深入研究。

圖3 液滴撞擊固體表面結(jié)冰過(guò)程解耦為動(dòng)力學(xué)過(guò)程和結(jié)冰過(guò)程(a)[1]；液滴撞擊固體表面動(dòng)力學(xué)過(guò)程(b)；固著液滴的結(jié)冰過(guò)程，包括液滴過(guò)冷、成核、再輝、凍結(jié)以及固體冷卻(T0和TF分別表示成核溫度和凍結(jié)溫度)(c)[26]Fig.3 The decoupling of the freezing process of the droplet impacting thesolid surface is the dynamic process and the freezing process(a)[1];Kinetic processes of droplets impinging on solid surfaces(b);The freezing processof the stationary droplet,including supercooling of the droplet,nucleation,reglow,freezing and solid cooling(T0 and TF represent nucleation temperature and freezing temperature respectively)(c)[26]

1.1 液滴撞擊冷表面的動(dòng)力學(xué)特性研究

多年來(lái)，圍繞液滴撞擊常溫固體表面的動(dòng)力學(xué)特性已持續(xù)開展了大量研究[25,27-28]。撞擊液滴主要受到慣性力、毛細(xì)力及黏性力的相互作用[29]，為了表征各種作用力的強(qiáng)弱，通常定義Weber數(shù)（We=ρD0V02/γ，慣性力與毛細(xì)力之比）和Reynolds數(shù)（Re=ρD0V0/μ，慣性力與黏性力之比）等無(wú)量綱參數(shù)來(lái)表征撞擊條件。除撞擊條件外，表面浸潤(rùn)性（或接觸角）也會(huì)影響撞擊液滴的動(dòng)力學(xué)過(guò)程。因此，對(duì)于液滴撞擊常溫表面動(dòng)力學(xué)特性的研究，主要關(guān)注Weber數(shù)、Reynolds數(shù)和表面浸潤(rùn)性對(duì)撞擊規(guī)律的影響[30-32]，最終目標(biāo)是構(gòu)建撞擊相圖[27]。然而，除撞擊條件和表面浸潤(rùn)性外，表面過(guò)冷度（這里指液滴在相應(yīng)壓力下凍結(jié)溫度與冷表面溫度的差值）也會(huì)影響撞擊液滴的動(dòng)力學(xué)特性及產(chǎn)物相[31,33]。例如，當(dāng)常溫液滴撞擊冷表面時(shí)，液滴會(huì)與表面進(jìn)行傳熱，當(dāng)液滴溫度達(dá)到成核溫度時(shí)，液滴還會(huì)發(fā)生結(jié)冰現(xiàn)象。此外，與常溫表面相比，過(guò)冷液滴撞擊冷表面時(shí)能夠形成更多的成核位點(diǎn)，使結(jié)冰更容易發(fā)生[34-36]。

液滴撞擊冷表面的動(dòng)力學(xué)過(guò)程主要包括鋪展過(guò)程和回縮過(guò)程，為了研究動(dòng)力學(xué)過(guò)程和結(jié)冰過(guò)程的耦合程度，有必要對(duì)鋪展過(guò)程和回縮過(guò)程單獨(dú)研究。

1.1.1 液滴撞擊冷表面的鋪展過(guò)程 液滴撞擊冷表面后，從接觸表面到鋪展到最大直徑這一過(guò)程被稱為鋪展過(guò)程，所用的時(shí)間被稱為鋪展時(shí)間。對(duì)于鋪展來(lái)說(shuō)，通常用最大鋪展直徑來(lái)定量描述液滴的鋪展程度，其直接影響液滴和表面的接觸換熱面積，決定液滴的溫度變化，進(jìn)而影響成核發(fā)生的時(shí)間。當(dāng)表面溫度降低時(shí)，液滴會(huì)與表面進(jìn)行熱量傳遞導(dǎo)致其黏度和表面張力發(fā)生改變，作用于液滴上的各種力之間的比率也會(huì)隨之發(fā)生改變。因此，即使對(duì)于相同的撞擊條件和表面浸潤(rùn)性，液滴在冷表面的鋪展性能也異于常溫表面[37-39]。Maitra等[37]研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)表面過(guò)冷度快速下降到-30℃時(shí)，液滴在鋪展過(guò)程中會(huì)發(fā)生冷卻，其黏度較室溫提高5倍，最大鋪展直徑較室溫減少25%。此外，與疏水表面相比，液滴撞擊親水表面時(shí)鋪展面積較大，傳熱較快，導(dǎo)致靠近冷表面的液膜快速達(dá)到成核條件，從而使得液滴撞擊親水表面時(shí)更容易結(jié)冰。例如，Alizadeh等[38]通過(guò)探究液滴撞擊親水表面和疏水表面的動(dòng)力學(xué)行為發(fā)現(xiàn)，液滴的最大鋪展直徑隨著表面親水性的增強(qiáng)而增大。與親水表面相比，液滴在（撞擊Weber數(shù)138、表面溫度-15℃，表面接觸角145°）撞擊疏水表面時(shí)更容易發(fā)生反彈現(xiàn)象。

1.1.2 液滴撞擊冷表面的回縮過(guò)程 液滴從最大鋪展直徑回縮到與表面接觸直徑保持不變的過(guò)程被稱為回縮過(guò)程，所用的時(shí)間被稱為回縮時(shí)間。對(duì)于回縮來(lái)說(shuō)，通常用回縮直徑（回縮結(jié)束后液滴與表面的接觸直徑）定量描述液滴的回縮程度。當(dāng)回縮直徑為0時(shí)，表示液滴反彈，此時(shí)鋪展時(shí)間和回縮時(shí)間之和被定義為液滴與表面的接觸時(shí)間。與常溫表面相比，液滴撞擊冷表面時(shí)，其黏性增加，導(dǎo)致液滴回縮減弱，回縮速度降低[33]。研究表明，回縮直徑隨表面溫度的降低而線性增加，當(dāng)表面溫度降低到一定程度時(shí)，回縮直徑等于最大鋪展直徑，即固液界面處液膜的凍結(jié)完全抑制了液滴的回縮運(yùn)動(dòng)[34]；當(dāng)表面溫度下降到凍結(jié)溫度時(shí)，液滴結(jié)冰過(guò)程會(huì)顯著阻礙回縮運(yùn)動(dòng)，主要原因是固液黏附增強(qiáng)[40]。除表面溫度外，表面浸潤(rùn)性對(duì)回縮過(guò)程也有一定的影響。隨表面疏水性增加，液滴在撞擊過(guò)程中動(dòng)能損耗減小，回縮速率增大，回縮時(shí)間減小。這是因?yàn)橐旱卧谧矒暨^(guò)程中能量守恒，如式（1）[41]所示：

式中，ΔEs為液滴的表面能變化量;ΔEk為液滴的動(dòng)能變化量;W為液滴的能量耗散，其包括黏性耗散、弛豫耗散和接觸線耗散。黏性耗散和弛豫耗散主要與黏度和液滴速度有關(guān)[42-43]，而接觸線耗散則與表面浸潤(rùn)性有關(guān)。接觸線耗散如式（2）[44]所示。

式中，γ為氣液表面張力；Dm為最大鋪展直徑；θY,θadv,θrec分別為表觀接觸角、前進(jìn)接觸角、后退接觸角。由于超疏水表面接觸角很大，余弦值隨角度變化的斜率很小，且接觸角滯后一般不超過(guò)5°，式中三個(gè)接觸角的余弦值幾乎相等。因此，與親水表面和疏水表面相比，液滴在超疏水表面的接觸線耗散較小，其對(duì)應(yīng)的動(dòng)能損失也較小。

1.2 液滴撞擊冷表面的結(jié)冰特性研究

1.2.1 液滴撞擊冷表面成核 固液界面的非均相成核是引起液滴結(jié)冰的主要原因。經(jīng)典核化理論認(rèn)為，任何成核的發(fā)生都需要克服吉布斯自由能成核勢(shì)壘，非均相成核的自由能勢(shì)壘可表示為[45]:

式中，γSL為固液界面自由能；TF為液滴凍結(jié)溫度；Tinterface為固液界面溫度；HSL為液固相變焓；θc為冰在水平表面的接觸角；f(θc)為表面浸潤(rùn)性參數(shù)。式（3）表明，冰晶成核受表面溫度、表面浸潤(rùn)性、液滴凍結(jié)溫度及表面形貌等多種因素的影響[3]。其中，表面溫度是最重要的影響因素，表面溫度越低，液滴與表面的傳熱速率越快[40,46-47]，成核自由能勢(shì)壘越小[48]；接觸角越大，表面浸潤(rùn)性參數(shù)f(θc)值越大，成核自由能勢(shì)壘越大，因此，疏水表面不易成核。與親水表面相比，疏水表面還能夠延長(zhǎng)撞擊液滴的成核時(shí)間，這主要是由于液滴在疏水表面的最大鋪展面積減小，液滴與表面的傳熱面積也減小，從而增加了成核時(shí)間。此外，一些疏水表面由于特定的結(jié)構(gòu)具有一定的絕熱性能，即液滴撞擊疏水表面時(shí)會(huì)在液滴與表面之間截留部分氣膜，這部分氣膜會(huì)增大液滴和固體表面之間的傳熱熱阻，從而使熱量傳遞更難進(jìn)行[49]。除了減少熱量傳遞路徑外，表面浸潤(rùn)性直接影響液固接觸面積，進(jìn)而影響成核時(shí)間[50]。例如，隨表面浸潤(rùn)性降低，液固接觸面積減小，換熱速率降低，成核時(shí)間延長(zhǎng)（圖4）。此外，Schremb等[50]發(fā)現(xiàn)液滴撞擊表面產(chǎn)生的納米氣泡提供了成核位點(diǎn)，這些成核位點(diǎn)極大地增加了碰撞的核化率，從而促進(jìn)液滴的成核。顯然，液滴和表面的傳熱過(guò)程及撞擊液滴的動(dòng)力學(xué)過(guò)程都會(huì)對(duì)冰晶成核產(chǎn)生影響。

圖4 液滴在親水和疏水冷表面成核再輝過(guò)程中溫度隨時(shí)間的變化規(guī)律[22]Fig.4 Variation of temperature with time during nucleation and reglow on hydrophilic and hydrophobic cooled surfaces[22]

1.2.2 液滴撞擊冷表面再輝 液滴撞擊冷表面的再輝過(guò)程[圖3(c)]可能發(fā)生在撞擊液滴的鋪展過(guò)程、回縮過(guò)程或者回縮結(jié)束以后[21,51]，再輝一旦發(fā)生，就會(huì)影響后續(xù)的動(dòng)力學(xué)過(guò)程。此外，再輝過(guò)程與動(dòng)力學(xué)過(guò)程的耦合關(guān)系直接決定液滴的結(jié)冰模式。例如，當(dāng)再輝過(guò)程發(fā)生在液滴鋪展或者回縮階段時(shí)，液滴將在表面結(jié)冰；而當(dāng)再輝過(guò)程發(fā)生在液滴回縮結(jié)束以后時(shí)，液滴在疏水表面可能發(fā)生部分結(jié)冰（圖5），也可能發(fā)生完全結(jié)冰[52]，而在超疏水表面可能不結(jié)冰。

圖5 液滴撞擊溫度為-20℃的超疏水表面的凍結(jié)過(guò)程示意圖[48]Fig.5 Schematic diagramof solidification process of a water droplet impactinga-20℃superhydrophobic surface[48]

總之，成核作為結(jié)冰的開始，對(duì)液滴的結(jié)冰過(guò)程有很大的影響。液滴成核后，再輝過(guò)程將影響液滴的鋪展和回縮過(guò)程，最終決定其結(jié)冰特性。再輝過(guò)程中，當(dāng)冰的生長(zhǎng)速率大于收縮速率時(shí)，凍結(jié)模式以冰核為主；反之，凍結(jié)模式以冰的生長(zhǎng)為主。Sun等[51]發(fā)現(xiàn)，在一定的冰晶生長(zhǎng)速率下，當(dāng)成核時(shí)間小于鋪展時(shí)間時(shí)，液滴會(huì)凍結(jié)成荷包蛋或者盆地狀，其凍結(jié)鋪展因子（凍結(jié)直徑與最大鋪展直徑之比）為0.85～1；當(dāng)成核時(shí)間大于鋪展時(shí)間小于鋪展回縮時(shí)間時(shí)，液滴會(huì)凍結(jié)成煎餅狀，凍結(jié)鋪展因子為0.5～0.85；當(dāng)成核時(shí)間大于鋪展回縮時(shí)間時(shí)，液滴在再輝之前就完成了收縮，最終呈半球形，凍結(jié)鋪展因子為0.3～0.5。顯然，液滴的結(jié)冰特性是撞擊動(dòng)力學(xué)、成核及再輝過(guò)程相互耦合相互影響的復(fù)雜結(jié)果。

1.3 液滴撞擊冷表面結(jié)冰耦合的理論研究

對(duì)于撞擊液滴，描述其在冷表面結(jié)冰的模型主要分為理論模型和數(shù)值模型[45,49,51-54]。構(gòu)建理論模型的目的一方面是獲得液滴撞擊表面發(fā)生反彈或者結(jié)冰的判據(jù)，預(yù)測(cè)撞擊液滴能否發(fā)生結(jié)冰；另一方面是基于液滴在結(jié)冰的條件下，預(yù)測(cè)液滴的形狀演化及冰層生長(zhǎng)規(guī)律。例如，Bahadur等[45]建立了液滴撞擊冷表面的動(dòng)力學(xué)模型、液滴與表面的傳熱模型以及非均相成核模型并將其耦合，最終構(gòu)建了液滴在表面的接觸半徑（R）、毛細(xì)收縮力（Fretraction）隨時(shí)間的依變關(guān)系，進(jìn)而判斷液滴能否結(jié)冰（圖6），即當(dāng)R=0，F(xiàn)retraction>0時(shí)，液滴發(fā)生反彈；當(dāng)Fretraction=0，R>0時(shí)，液滴發(fā)生結(jié)冰。構(gòu)建數(shù)值模型的目標(biāo)則是基于給定的撞擊條件，對(duì)動(dòng)力學(xué)過(guò)程和結(jié)冰過(guò)程進(jìn)行整體模擬，預(yù)測(cè)撞擊液滴的鋪展、回縮、黏附、反彈或者結(jié)冰等過(guò)程。例如，Yao等[31]建立了液滴撞擊冷表面的鋪展回縮過(guò)程和結(jié)冰過(guò)程的耦合模型，獲得液滴發(fā)生反彈或者黏附與韋伯?dāng)?shù)和昂色格數(shù)之間的依變關(guān)系，即液滴撞擊冷表面最終發(fā)生反彈或者黏附主要取決于昂色格數(shù)的大小，這是由于當(dāng)撞擊表面溫度過(guò)冷時(shí)，液滴在表面的鋪展、回縮以及反彈動(dòng)力學(xué)主要受黏性力的影響。

圖6 液滴撞擊冷表面的動(dòng)力學(xué)模型（a）；液滴與表面的傳熱模型（b）；非均相成核模型（c）；液滴在表面的接觸半徑、毛細(xì)收縮力隨時(shí)間的依變關(guān)系[（d）～（f）][45]Fig.6 Kinetic model of droplet impact on cold surface（a）;Droplet and surface heat transfer model（b）;Inhomogeneous nucleation model（c）;The dependence of contact radius and capillary contractile force of droplet on the surface with time[（d）—（f）][45]

以上結(jié)冰模型的研究表明，液滴撞擊表面最終能否發(fā)生反彈或者結(jié)冰與動(dòng)力學(xué)過(guò)程和傳熱過(guò)程密切相關(guān)。液滴撞擊冷表面的結(jié)冰過(guò)程主要是成核過(guò)程、再輝過(guò)程和凍結(jié)過(guò)程的耦合。然而，過(guò)去研究者主要關(guān)注固著液滴結(jié)冰或者撞擊液滴在完全結(jié)冰條件下的理論研究以及模型建立，尚未從理論上研究成核再輝時(shí)間小于或接近接觸時(shí)間時(shí)，撞擊液滴發(fā)生部分反彈、部分結(jié)冰或者完全結(jié)冰情況下的理論預(yù)測(cè)模型。

1.4 撞擊液滴結(jié)冰目前存在的問(wèn)題

基于以上分析可知，撞擊液滴的結(jié)冰過(guò)程是極其復(fù)雜的動(dòng)力學(xué)過(guò)程、傳熱過(guò)程以及結(jié)冰過(guò)程的耦合。由于過(guò)程的復(fù)雜性，目前的研究通常將其解耦成液滴撞擊表面的動(dòng)力學(xué)過(guò)程和固著液滴的結(jié)冰過(guò)程來(lái)簡(jiǎn)化研究，尚未系統(tǒng)地將動(dòng)力學(xué)過(guò)程和結(jié)冰過(guò)程進(jìn)行耦合研究來(lái)闡明撞擊液滴結(jié)冰的機(jī)理。

另外，以往對(duì)防結(jié)冰的研究主要關(guān)注的是疏水表面和超疏水表面。對(duì)于疏水表面，進(jìn)一步增加表面疏水性是抑制結(jié)冰的有效方法。增加表面疏水性一方面可增加冰晶成核勢(shì)壘，延緩結(jié)冰時(shí)間；另一方面可降低冰晶與表面的黏附力，使冰層容易去除。然而，這些方法依然是在結(jié)冰前或者結(jié)冰后來(lái)防冰或者除冰，并沒(méi)有達(dá)到“從源頭上”抑制結(jié)冰。而對(duì)于超疏水表面，目前已有研究發(fā)現(xiàn)超疏水表面在防止撞擊液滴結(jié)冰方面表現(xiàn)優(yōu)異，能從源頭上抑制結(jié)冰。但是，對(duì)液滴撞擊過(guò)程中的動(dòng)力學(xué)特性和結(jié)冰特性進(jìn)行耦合探究，進(jìn)而揭示利用液滴的反彈特性抑制結(jié)冰的機(jī)理是有必要的。

2 基于液滴的“反彈特性”實(shí)現(xiàn)抑制結(jié)冰的機(jī)理和思路

自荷葉效應(yīng)[55]發(fā)現(xiàn)以來(lái)，超疏水表面在自清潔、特別是防結(jié)冰方面的應(yīng)用受到廣泛關(guān)注。特別是與普通疏水表面相比，超疏水表面可將結(jié)冰時(shí)間由5 s延長(zhǎng)到70～80 s，提高一個(gè)數(shù)量級(jí)。除了可以大幅度延長(zhǎng)結(jié)冰時(shí)間外，液滴撞擊超疏水表面所展現(xiàn)的動(dòng)力學(xué)特性也與撞擊親水或常規(guī)疏水表面有很大不同。例如，液滴撞擊超疏水表面在回縮過(guò)程結(jié)束后會(huì)更容易發(fā)生反彈?？梢栽囅?，如果液滴在成核或者再輝發(fā)生之前彈離表面，就可以從根本上解決撞擊液滴的結(jié)冰問(wèn)題。也就是說(shuō)，降低液滴在表面的接觸時(shí)間能夠促進(jìn)液滴快速?gòu)楇x表面并達(dá)到抑制其結(jié)冰的目的。

表1 液滴撞擊具有不同結(jié)構(gòu)的固體表面時(shí)的接觸時(shí)間（無(wú)量綱）Table 1 Comparison of the dimensionless contact time of droplets

上述研究證實(shí)了借助宏觀尺度的脊和特定的微結(jié)構(gòu)可使撞擊液滴的接觸時(shí)間突破理論極限，為抑制結(jié)冰提供了思路。然而，這些研究均是針對(duì)液滴撞擊超疏水常溫表面。當(dāng)液滴撞擊疏水表面時(shí)，由于表面疏水性的降低，表面浸潤(rùn)性勢(shì)必影響撞擊液滴的反彈特性。研究發(fā)現(xiàn)[62-65]，撞擊表面的浸潤(rùn)性越小，液滴的回縮速度越快，其臨界反彈速度越小，液滴越容易彈離表面。權(quán)生林等[62]通過(guò)改變表面浸潤(rùn)性，研究了具有不同表面浸潤(rùn)性的表面對(duì)液滴撞擊動(dòng)力學(xué)特性的影響。當(dāng)表面為親水表面時(shí)，液滴與表面之間的相互作用力較大，液滴在撞擊過(guò)程中只會(huì)發(fā)生沉積現(xiàn)象,并沒(méi)有彈離表面；隨著表面疏水性的增大，液滴與表面之間的相互作用力不斷減小，當(dāng)增大Weber數(shù)（We）時(shí)，撞擊液滴會(huì)由沉積逐漸變?yōu)榉磸?；而?dāng)表面為超疏水表面時(shí)，即液滴與固體表面的相互作用力非常小，液滴撞擊表面后沒(méi)有發(fā)生沉積，而是在非常小的We下就可以發(fā)生反彈。這表明，液滴在表面的反彈特性不僅與接觸時(shí)間密切相關(guān)，同時(shí)受表面浸潤(rùn)性的影響。

需要指出的是，當(dāng)液滴撞擊冷表面時(shí)，由于在撞擊過(guò)程中液滴和表面會(huì)發(fā)生傳熱，此時(shí)，液滴撞擊表面的動(dòng)力學(xué)過(guò)程、傳熱過(guò)程以及結(jié)冰過(guò)程相互耦合相互影響，勢(shì)必影響撞擊液滴的反彈特性。因此，有必要深入探究表面過(guò)冷度對(duì)液滴反彈、傳熱以及結(jié)冰特性的影響規(guī)律。

總之，利用撞擊液滴在超疏水表面的反彈特性作為一種抑制結(jié)冰的思路，可實(shí)現(xiàn)“從源頭上”抑制結(jié)冰。然而之前的研究大部分是針對(duì)液滴撞擊超疏水常溫表面展開的。當(dāng)液滴撞擊疏水冷表面時(shí)，由于表面疏水性的降低以及撞擊過(guò)程中液滴和表面發(fā)生傳熱，表面浸潤(rùn)性和過(guò)冷度都會(huì)發(fā)生改變，勢(shì)必會(huì)影響撞擊液滴的反彈特性，有待于進(jìn)一步研究。

3 液滴撞擊超疏水表面的研究

近期，作者所在課題組[59]圍繞液滴撞擊常溫表面的動(dòng)力學(xué)特性以及液滴撞擊冷表面的動(dòng)力學(xué)及結(jié)冰特性開展了一系列實(shí)驗(yàn)和模擬研究?；谄奖砻嫔系暮暧^脊能夠?qū)⒁旱畏至巡⒓ぐl(fā)其非對(duì)稱性，進(jìn)而可以降低液滴與固體表面接觸時(shí)間的研究，提出在傾斜表面施加一排宏觀脊的方法，這樣可以將表面的傾斜性和宏觀微結(jié)構(gòu)這兩種非對(duì)稱性相結(jié)合，進(jìn)一步減少接觸時(shí)間。過(guò)去的研究表明，當(dāng)水平表面宏觀微結(jié)構(gòu)脊間距與液滴直徑相當(dāng)時(shí)，接觸時(shí)間最低。然而，作者發(fā)現(xiàn)，當(dāng)液滴撞擊具有較大脊間距的傾斜表面時(shí)更容易被分裂，但是分裂后液滴與傾斜表面的接觸時(shí)間并沒(méi)有變短，反而有所增加，且傾角越大，接觸時(shí)間越長(zhǎng)。當(dāng)脊間距較小時(shí)，液滴在沒(méi)有被分裂的情況下，存在一個(gè)最佳間距使接觸時(shí)間變短，在這種情況下，傾角越大，接觸時(shí)間越短。

雖然之前的研究也證實(shí)了一些特定的脊和微結(jié)構(gòu)可降低接觸時(shí)間，但需要指出的是，這些研究大多是針對(duì)液滴撞擊超疏水的常溫表面而言的。當(dāng)液滴撞擊疏水的冷表面時(shí)，由于表面疏水性的降低以及撞擊過(guò)程中液滴和表面發(fā)生傳熱，會(huì)出現(xiàn)液滴在冷表面?zhèn)鳠岷土鲃?dòng)的競(jìng)爭(zhēng)[65-68]，勢(shì)必會(huì)影響接觸時(shí)間和成核再輝時(shí)間，最終影響撞擊液滴的反彈特性和結(jié)冰特性。例如，增大表面過(guò)冷度[68]，液滴撞擊超疏水表面后會(huì)由反彈變?yōu)轲じ健ing等[69]研究發(fā)現(xiàn)，液滴撞擊冷表面后會(huì)經(jīng)歷鋪展、回縮和反彈，且當(dāng)表面溫度低于-17℃時(shí)，回縮過(guò)程和反彈過(guò)程會(huì)受到抑制。這是由于隨著表面溫度的降低，液滴冷卻所需時(shí)間顯著縮短，導(dǎo)致凍結(jié)開始時(shí)間顯著下降。當(dāng)表面溫度從-26.1℃下降到-28.6℃時(shí)，液滴凍結(jié)開始時(shí)間由18.7 ms縮短至11.3 ms。Boinovich等[70]的研究同樣發(fā)現(xiàn)，水滴撞擊溫度為-17℃的超疏水表面時(shí)可彈離表面，而當(dāng)表面溫度降至-20℃時(shí)，只有70%的液滴可以有效反彈。這是因?yàn)橐旱巫矒舫杷砻鏁?huì)誘發(fā)產(chǎn)生氣泡，當(dāng)液滴溫度低于0℃時(shí)，氣泡在水中的擴(kuò)散速率減慢，導(dǎo)致其存在時(shí)間呈指數(shù)級(jí)增加，氣泡產(chǎn)生了額外的成核位點(diǎn)，增加了冰晶成核速率[26]，最終使水滴撞擊超疏水表面后由反彈變?yōu)轲じ竭M(jìn)而結(jié)冰，極大地限制了超疏水表面的防結(jié)冰性能。

基于上述研究，作者開展了液滴撞擊裝飾有宏觀脊的低溫超疏水表面的實(shí)驗(yàn)研究（圖7），發(fā)現(xiàn)在撞擊速度為1 m/s時(shí)，液滴撞擊超疏水常溫表面后會(huì)從表面彈離；當(dāng)表面溫度降低到-15℃時(shí)，撞擊液滴無(wú)法彈離表面，最終在表面結(jié)冰；而在-15℃的冷表面上布置宏觀尺度的脊時(shí)，撞擊液滴又會(huì)彈離表面，這是由于脊打破了撞擊液滴鋪展和回縮的圓周對(duì)稱性，縮短了接觸時(shí)間。上述工作證實(shí)了：（1）表面過(guò)冷度影響液滴的接觸時(shí)間，增大過(guò)冷度增加了接觸時(shí)間；（2）當(dāng)成核再輝時(shí)間小于接觸時(shí)間時(shí)，動(dòng)力學(xué)過(guò)程與結(jié)冰過(guò)程發(fā)生耦合，液滴無(wú)法彈離表面發(fā)生結(jié)冰；（3）通過(guò)降低接觸時(shí)間，使成核再輝時(shí)間大于接觸時(shí)間，液滴可從表面反彈，成功抑制結(jié)冰。

圖7 液滴撞擊常溫超疏水表面(a)、低溫超疏水表面(b)和低溫超疏水加單根脊表面(c)的動(dòng)力學(xué)性能和結(jié)冰性能Fig.7 The kinetics and icing performance of droplet impact on superhydrophobic surface at roomtemperature(a),superhydrophobic surface at low temperature(b)and the surface superhydrophobic and single ridge at low temperature(c)

4 總結(jié)與展望

本文主要基于液滴撞擊冷表面的結(jié)冰問(wèn)題，綜述了近年來(lái)液滴撞擊冷表面的動(dòng)力學(xué)特性、結(jié)冰特性以及液滴撞擊結(jié)冰理論建模等方面的研究進(jìn)展，并分析了目前研究中主要存在的問(wèn)題。在此基礎(chǔ)上，基于撞擊液滴的反彈特性可從源頭上抑制結(jié)冰這種思路，提出可通過(guò)降低接觸時(shí)間或者增加成核再輝時(shí)間來(lái)實(shí)現(xiàn)從源頭上抑制結(jié)冰的新方法。最后，通過(guò)模擬和實(shí)驗(yàn)研究初步證明了這種新方法的可行性。

然而，利用撞擊液滴的反彈特性實(shí)現(xiàn)從源頭上抑制結(jié)冰作為一種新的抑冰方法，盡管得到了一定的發(fā)展，也展現(xiàn)出了良好應(yīng)用前景，但距離實(shí)際應(yīng)用仍有一定的差距。目前仍有一些基礎(chǔ)性的問(wèn)題需要得到解決。（1）考慮在實(shí)際應(yīng)用中，假如撞擊表面嚴(yán)格上是超疏水表面，這一條件比較苛刻，其在一定程度上會(huì)限制利用液滴的反彈抑制結(jié)冰的應(yīng)用范圍。如果表面不是超疏水表面，而是疏水表面，液滴反彈的臨界撞擊速度勢(shì)必增加。表面疏水性越差，液滴反彈的臨界撞擊速度越高。這就向研究者提出一個(gè)問(wèn)題：如何通過(guò)合理的表面設(shè)計(jì)，使液滴以低速撞擊疏水表面時(shí)也可彈離表面?如果這一問(wèn)題得到解決，將極大擴(kuò)展這種抑冰思路的應(yīng)用范圍。（2）當(dāng)常溫液滴撞擊冷表面時(shí)，液滴和表面之間會(huì)進(jìn)行熱量交換，表面過(guò)冷度勢(shì)必影響接觸時(shí)間和成核再輝時(shí)間，進(jìn)而影響撞擊液滴的反彈特性。僅當(dāng)接觸時(shí)間小于成核再輝時(shí)間時(shí)，液滴才能從表面彈離，達(dá)到抑制結(jié)冰的作用。因此，有必要深入探究表面浸潤(rùn)性和過(guò)冷度對(duì)液滴反彈特性的影響規(guī)律，建立接觸時(shí)間和成核再輝時(shí)間與表面浸潤(rùn)性和過(guò)冷度的依變關(guān)系。這些問(wèn)題的進(jìn)一步解決，可為實(shí)現(xiàn)“利用撞擊液滴的反彈特性抑制結(jié)冰”提供理論基礎(chǔ)和技術(shù)支撐。

符號(hào)說(shuō)明

ΔG——成核自由能勢(shì)壘，kJ/mol

R——液滴在表面的接觸半徑，m

R0——液滴初始半徑，m

Wcl——液滴撞擊表面過(guò)程的接觸線耗散，J

ρ——液滴密度，kg/m3

τc——液滴撞擊超疏水表面接觸時(shí)間，s

τ*——液滴撞擊超疏水表面無(wú)量綱接觸時(shí)間，τ*=τc/(ρR03/γ)1/2