鋁基防冰表面的研究進(jìn)展

何志偉，沈子航，邱煥逸，陳家豪，梁立軍，王建均

(1 杭州電子科技大學(xué) 材料與環(huán)境工程學(xué)院，杭州 310018；2 杭州電子科技大學(xué) 光電材料與器件研究中心，杭州 310018；3 杭州電子科技大學(xué) 自動(dòng)化學(xué)院，杭州310018；4 浙江精筑環(huán)?？萍加邢薰荆贾?310052)

在長(zhǎng)時(shí)間低溫情況下，積冰在裸露表面的累積往往是不可避免的。例如，輸電塔、風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片、石油鉆井平臺(tái)、飛機(jī)、運(yùn)輸工具等[1-2]表面厚厚的積冰除了可能會(huì)增加設(shè)備負(fù)荷、消耗額外能源外，還可能會(huì)導(dǎo)致設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)不良，甚至產(chǎn)生不可逆的損壞。2008年初，我國(guó)南方地區(qū)發(fā)生了大范圍的冰凍雨雪災(zāi)害，積雪/冰對(duì)交通道路、水管和電網(wǎng)等基礎(chǔ)設(shè)施造成了極大的破壞，給日常的生產(chǎn)和生活帶來(lái)諸多不便，造成了巨大的經(jīng)濟(jì)損失。為了應(yīng)對(duì)這種低溫下的冰凍災(zāi)害，實(shí)際中較可行的方法為采用防冰措施，主要包括主動(dòng)法和被動(dòng)法。其中，主動(dòng)法包含人工/機(jī)械除冰、加鹽除冰、加熱融冰等，這些方法具有較大的局限性，往往耗能高且可能會(huì)造成潛在的環(huán)境污染和操作安全等問(wèn)題[1-2]。目前較有效的防冰方法為被動(dòng)法，即通過(guò)引入防冰表面來(lái)實(shí)現(xiàn)防冰的目的。這種方法不僅成本低，而且使用壽命較長(zhǎng)，對(duì)低溫下裸露表面的實(shí)際防冰應(yīng)用具有重要意義[2-7]。

防冰表面需要滿足以下至少一方面的性能：(1)水滴在結(jié)冰前能夠自動(dòng)離開(kāi)表面；(2)可以延遲水滴在表面的結(jié)冰；(3)降低水滴在表面的冰黏附強(qiáng)度[8-10]。到目前為止，防冰策略主要包括超疏水表面[11-13]、水潤(rùn)滑表面[14]、有機(jī)潤(rùn)滑表面[15]、低彈性模量表面[9]、裂紋促進(jìn)表面[8,10]、聚電解質(zhì)刷[16]等。由于金屬鋁資源十分豐富，且有多種優(yōu)良性能，被廣泛應(yīng)用于不同的設(shè)備與運(yùn)輸工具，因此低溫地區(qū)亟須具有防冰功能的鋁基設(shè)備表面。本文首先綜述了鋁基防冰表面的制備方法，包括鋁基表面微納米結(jié)構(gòu)的制備和表面低能化的方法。鋁基表面微納米結(jié)構(gòu)的制備方法包括陽(yáng)極氧化、酸刻蝕、堿刻蝕、鹽刻蝕、沸水處理、噴砂、高速電火花切割等手段；鋁基表面的進(jìn)一步低能化包括微納米結(jié)構(gòu)表面的化學(xué)改性和潤(rùn)滑層的添加，從而分別獲得超疏水型和潤(rùn)滑型鋁基防冰表面。然后闡述了表征鋁基表面防冰性能的兩種手段，包括水滴延遲結(jié)冰和冰黏附強(qiáng)度，根據(jù)水滴延遲結(jié)冰時(shí)間或冰黏附強(qiáng)度可大致判斷不同鋁基表面的防冰性能。最后對(duì)目前鋁基防冰表面的現(xiàn)狀進(jìn)行總結(jié)，并對(duì)其未來(lái)的研究方向和應(yīng)用進(jìn)行展望。

1 鋁基防冰表面的制備

目前鋁基防冰表面的制備思路(如圖1所示)可分為兩類(lèi)，包括超疏水型和有機(jī)潤(rùn)滑型。這兩種類(lèi)型鋁基防冰表面的制備都需要先在表面構(gòu)建粗糙的鋁基微納米結(jié)構(gòu)，并用低表面能物質(zhì)來(lái)修飾鋁基微納米結(jié)構(gòu)來(lái)獲得超疏水表面，從而達(dá)到排除水滴、延遲水滴結(jié)冰或者降低冰黏附強(qiáng)度的目的；或者根據(jù)仿豬籠草的潤(rùn)滑機(jī)制[15]，在鋁基表面微納米粗糙結(jié)構(gòu)上注入帶有較強(qiáng)附著力的有機(jī)潤(rùn)滑液，達(dá)到疏水/冰的目的[17-18]。結(jié)合已有文獻(xiàn)報(bào)道，鋁基防冰表面粗糙微納米結(jié)構(gòu)的主要制備方法有陽(yáng)極氧化法、酸刻蝕法、鹽刻蝕法、熱/沸水法、堿刻蝕法、水熱法、噴砂法、激光法、溶膠-凝膠法及高速電火花法等，對(duì)這些制備方法進(jìn)行總結(jié)，并比較其優(yōu)缺點(diǎn)，如表1所示[3,17-72]。

圖1 鋁基防冰表面的制備及防冰機(jī)理Fig.1 Preparation and anti-icing mechanism of Al-based anti-icing surfaces

表1 鋁基防冰表面微納米結(jié)構(gòu)制備的優(yōu)缺點(diǎn)Table 1 Advantages and disadvantages of preparation of micro/nanostructures on Al-based anti-icing surfaces

1.1 陽(yáng)極氧化法

陽(yáng)極氧化法是將鋁或者鋁合金作為陽(yáng)極，在電解液中通過(guò)電化學(xué)腐蝕的方法使陽(yáng)極表面形成粗糙的鋁基微納米結(jié)構(gòu)氧化膜。

Sun等[17]利用陽(yáng)極氧化法先將經(jīng)砂紙打磨過(guò)的鋁片置于0.2 mol/L的氯化鈉溶液中刻蝕10 min獲得粗糙的鋁基微米結(jié)構(gòu)，然后置于0.3 mol/L草酸溶液中刻蝕獲得鋁基納米結(jié)構(gòu)，最后用含1%(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同)氟硅烷的乙醇溶液在室溫下浸泡1 h獲得超疏水鋁基表面，或者將硅油附著在鋁基微納米結(jié)構(gòu)表面獲得潤(rùn)滑型鋁基防冰材料。在環(huán)境溫度為-5 ℃時(shí)，該潤(rùn)滑型鋁基防冰表面能排除以2000 μL/min下落的冷水滴(2.5 ℃)長(zhǎng)達(dá)20 min，且其冰黏附強(qiáng)度僅為13.4 kPa，顯示了較好的防冰性能[17]。Zhang等[19]以99.5%工業(yè)鋁箔為陽(yáng)極，高純度鎳片為陰極，置于2.6 mol/L磷酸和1.6 mol/L甘油混合液(70 ℃)中以3.2 mA/cm2的恒定電流作用2 h，然后用70 ℃的硬脂酸溶液處理1 h，最后對(duì)處理過(guò)的鋁片在80 ℃加熱30 min，獲得了能有效延遲水滴結(jié)冰的超疏水型鋁基表面。Boinovich等[20]將鋁線在磷酸溶液里陽(yáng)極氧化，并用功能性氟硅烷進(jìn)行表面低能化，得到含超疏水表面的鋁線(接觸角(165±4)°)，且該超疏水型鋁基表面在(-8.5±0.5) ℃時(shí)的軸向剪切冰黏附強(qiáng)度為(113±26) kPa。

由于鋁基表面較活潑，陽(yáng)極氧化法能夠通過(guò)控制外加電流的大小來(lái)控制不同微納米結(jié)構(gòu)的氧化膜，在該氧化膜上附著有機(jī)潤(rùn)滑液或者將其用低能分子處理，即可得到具有防冰性能的鋁基表面。

1.2 酸刻蝕法

酸刻蝕法是一種較簡(jiǎn)便的方法，通常只需將鋁基表面靜置于一定濃度的酸溶液中一定時(shí)間，并通過(guò)表面低能化即可得到超疏水型鋁基防冰表面。

Jin等[45]將鋁導(dǎo)線置于20%鹽酸溶液中刻蝕1 min，隨后將經(jīng)酸刻蝕的鋁導(dǎo)線置于含1%硬脂酸的酒精溶液中浸泡15 min，最后在90 ℃烘箱中烘干，即可得到超疏水鋁導(dǎo)線。在-5 ℃和相對(duì)濕度85%的情況下，經(jīng)過(guò)110 min的防冰測(cè)試，該超疏水鋁導(dǎo)線上也只有一小部分冰，體現(xiàn)了較好的防冰效果[45]。Ganne等[33]將鋁合金網(wǎng)或片置于氫氟酸和鹽酸混合液中1～5 min，經(jīng)氟硅烷低能化處理后得到超疏水鋁基防冰表面，該表面在-10 ℃時(shí)能有效延遲水滴結(jié)冰。Barthwal等[18]在室溫下將鋁合金片置于鹽酸溶液(33%，體積分?jǐn)?shù))中刻蝕3 min，獲得鋁基微米結(jié)構(gòu)，然后在1 mol/L的硫酸溶液里進(jìn)行陽(yáng)極氧化得到鋁基納米結(jié)構(gòu)，再用聚二甲基硅氧烷進(jìn)行表面修飾并在硅油中浸泡20 min，最終獲得潤(rùn)滑型防冰表面。-10 ℃時(shí)，該表面的冰黏附強(qiáng)度低至(22±5) kPa[18]。

該方法也易結(jié)合其他微納米結(jié)構(gòu)制備方法，但所制得的微納米結(jié)構(gòu)可控性不足，且酸腐蝕對(duì)鋁基表面的破壞性較大。

1.3 鹽刻蝕法

鹽刻蝕法主要利用金屬鋁的活潑性，通過(guò)和鹽溶液進(jìn)行置換反應(yīng)，制備鋁基微納米結(jié)構(gòu)來(lái)獲得超疏水型防冰表面。

占彥龍等[3]先用3000目砂紙打磨獲得微米級(jí)的粗糙結(jié)構(gòu)，經(jīng)無(wú)水乙醇和超聲清洗后置于0.05 mol/L的硫酸銅溶液中，然后在5%的月桂酸酒精溶液中浸泡1.5 h，獲得接觸角為163.31°且滾動(dòng)角小于5°的超疏水鋁基表面。其中用硫酸銅鹽溶液刻蝕80 min得到的超疏水型鋁基防冰表面表現(xiàn)出了最佳的延遲水滴結(jié)冰性能，其延遲時(shí)間達(dá)到普通鋁表面的5倍[3]。Chu等[50]將鋁箔浸泡在0.1 mol/L鹽酸和0.1 mol/L硝酸銅混合溶液中5 min，并用1%氟硅烷低能化30 min，獲得超疏水型鋁基防冰表面，并研究了水滴在該超疏水表面的二次結(jié)冰作用機(jī)制。Liao等[47]將鋁箔分別置于1 mol/L CuCl2溶液中8 s和鹽酸溶液中10 s，刻蝕后的鋁箔用2%三甲基硅氧烷進(jìn)行表面低能化，獲得接觸角為161.9°且滾動(dòng)接觸角為6.8°的超疏水型鋁基防冰表面，該表面能延遲水滴結(jié)冰長(zhǎng)達(dá)475 s。

該方法使用前一般須進(jìn)行預(yù)處理，即除去鋁基表面的氧化膜，且所使用鹽溶液里的金屬離子能夠與鋁基表面發(fā)生反應(yīng)，從而生成相應(yīng)的金屬基微納米結(jié)構(gòu)。

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1.4 堿刻蝕法

堿刻蝕法是基于鋁基表面與堿溶液發(fā)生的反應(yīng)，該反應(yīng)能夠在表面生成納米級(jí)的鋁基薄片，經(jīng)過(guò)必要的表面低能化后即可獲得超疏水型鋁基防冰表面。

Xu等[55]將1060鋁合金網(wǎng)置于0.005 mol/L的NaOH溶液中120 min，使其表面粗糙化，隨后在室溫下將刻蝕后的鋁合金網(wǎng)用氟硅烷進(jìn)行表面低能化，獲得超雙疏型鋁基防冰表面，將0.05 mL水滴放置在該表面并置于-18 ℃冰箱中，其能夠延遲水滴結(jié)冰長(zhǎng)達(dá)26 h，表現(xiàn)出了優(yōu)異的防冰性能。Wang等[57]先對(duì)鋁片(99.9%)進(jìn)行噴砂處理，然后在0.1 mol/L的NaOH溶液(80 ℃)中浸泡5 min及在沸水中浸泡40 min，最后用1% 氟硅烷的乙醇溶液進(jìn)行低能化24 h，獲得超疏水型防冰表面，在-15 ℃和濕度78%的情況下，該防冰表面能夠有效延遲水滴結(jié)冰長(zhǎng)達(dá)81 min。Shen等[58]先對(duì)鋁合金片噴砂得到粗糙微米結(jié)構(gòu)，然后在0.05 mol/L的NaOH溶液(80 ℃)中浸泡5 min，最后用氟硅烷溶液進(jìn)行低能化從而獲得超疏水型防冰表面，在-10 ℃時(shí)，該防冰表面的冰黏附強(qiáng)度為75 kPa，且能夠延遲水滴結(jié)冰達(dá)到769 s。

該方法較為簡(jiǎn)便，可以結(jié)合其他制備方法，在已有鋁基微米結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上制備鋁基納米結(jié)構(gòu)，例如酸刻蝕法、噴砂法等制備方法。

1.5 熱/沸水法

熱/沸水法能使鋁基表面的鋁酸鹽離子結(jié)晶形成一層較穩(wěn)定的氫氧化鋁，眾多的羥基易于與低能表面物質(zhì)反應(yīng)，形成一層低表面能的分子[53]。

Zuo等[52]將鋁箔分別置于1 mol/L CuCl2溶液中8 s及90 ℃的熱水中50 min，隨后用2%三甲基硅氧烷溶液對(duì)鋁基表面進(jìn)行低能化，并獲得接觸角為(164.8±1.1)°和滾動(dòng)接觸角小于1°的鋁基超疏水表面，該鋁基防冰表面在-6 ℃時(shí)能延遲水滴結(jié)冰超過(guò)110 min。Kim等[53]先將鋁片(99.5%)置于 0.05 mol/L NaOH溶液(80 ℃)中5 min及沸水中30 min，使其表面形成鋁基納米結(jié)構(gòu)，并用氟硅烷進(jìn)行表面低能化獲得超疏水型防冰表面，在水蒸氣過(guò)飽和度為3.41時(shí)，該表面能有效防霜凍長(zhǎng)達(dá)1779 s。Han等[59]將0.1 mm厚的純鋁片置于100 ℃的沸水中超過(guò)40 min，并用十八烷基三氯硅烷進(jìn)行表面低能化獲得超疏水型防冰表面，在-20 ℃時(shí)該表面能夠延遲水滴結(jié)冰超過(guò)2 h。

該方法操作簡(jiǎn)單，可單獨(dú)使用制備鋁基納米結(jié)構(gòu)，也可以結(jié)合堿刻蝕法、酸刻蝕法等共同使用來(lái)控制鋁基微納米結(jié)構(gòu)。

1.6 噴砂法

使用噴砂法的主要目的是使鋁基表面獲得微米級(jí)的粗糙結(jié)構(gòu)，鋁基微米結(jié)構(gòu)可通過(guò)噴砂顆粒粒徑和壓力進(jìn)行調(diào)節(jié)，并通過(guò)進(jìn)一步的納米結(jié)構(gòu)修飾和表面低能化來(lái)獲得鋁基防冰表面。

該方法單獨(dú)使用只能制備微米級(jí)粗糙表面，這比較利于制備潤(rùn)滑型防冰表面。如需制備超疏水型防冰表面，還需結(jié)合其他常用方法做進(jìn)一步納米修飾。

1.7 激光法

激光法利用高能激光光束照射來(lái)刻蝕鋁基表面，使其形成一定深度的凹槽，該方法具有刻蝕成功率高、穩(wěn)定性高、無(wú)污染等優(yōu)點(diǎn)，適合于有高精度需求的超疏水型防冰表面的制備。

Liu等[64]在洗凈的7075鋁合金片上用激光刻蝕兩次，刻蝕區(qū)域?yàn)?0 mm ×10 mm，平均功率為50 W，重復(fù)頻率為20 kHz，脈沖寬度為200 ns，掃描速率為500 mm/s，并用0.01 mol/L硬脂酸溶液處理，獲得超疏水型防冰表面，該表面在-15 ℃時(shí)能夠延遲水滴結(jié)冰長(zhǎng)達(dá)1938 s，表現(xiàn)出了較好的防冰性能。Xing等[65]在經(jīng)拋光的5052鋁合金表面(20 mm×20 mm×5 mm)采用波長(zhǎng)為1030 nm的線性極化皮秒激光進(jìn)行刻蝕，其重復(fù)頻率為500 kHz，脈沖寬度為500 ps，輸出功率為20 W，掃描速率為3000 mm/s，掃描的線長(zhǎng)度在20～100 μm之間，該表面從0 ℃降至-23 ℃時(shí)，能夠延遲水滴結(jié)冰長(zhǎng)達(dá)4253 s，表現(xiàn)出了較好的防冰性能。Li等[66]在經(jīng)拋光后的7075鋁合金表面采用激光刻蝕，平均功率為50 W，重復(fù)頻率為20 kHz，脈沖寬度為200 ns，掃描速率為500 mm/s，然后用1%的氟硅烷進(jìn)行低能化和PDMS填充凹槽，獲得超疏水型防冰表面，該表面的冰黏附強(qiáng)度最低可至(69±20) kPa。

該方法較簡(jiǎn)便，且能夠較精確地控制微納米尺寸、形狀、間距和縱深，可對(duì)除冰后微納結(jié)構(gòu)表面破壞情況進(jìn)行綜合分析，有利于研究超疏水型防冰表面的除冰機(jī)理，從而改進(jìn)防冰表面微納米結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)。

1.8 其他

其他制備方法，如溶膠-凝膠法、高速電火花法、水熱法等往往和上述常用方法結(jié)合使用來(lái)制備鋁基微納米結(jié)構(gòu)，通過(guò)一定的表面低能化來(lái)獲得超疏水型防冰表面。相對(duì)于常用的陽(yáng)極氧化、酸刻蝕和堿刻蝕等方法來(lái)講，這些方法所制備的鋁基微納米結(jié)構(gòu)表面在防冰領(lǐng)域應(yīng)用較少，仍有待于后期繼續(xù)深入地研究。

2 鋁基防冰表面防冰能力的表征

隨著時(shí)間累積和溫度降低，在鋁基表面水結(jié)冰的現(xiàn)象往往是不可避免的。因此，防冰表面一般通過(guò)延遲水滴結(jié)冰或者降低冰黏附強(qiáng)度來(lái)實(shí)現(xiàn)防冰的目的。

2.1 延遲結(jié)冰

水滴在微納米結(jié)構(gòu)上的潤(rùn)濕狀態(tài)通常包括Wenzel態(tài)(見(jiàn)圖2(a))，Cassie-Baxter態(tài)(見(jiàn)圖2(b))及兩態(tài)之間的混合態(tài)。從熱力學(xué)的角度看，在降溫過(guò)程中，可以把微納米結(jié)構(gòu)上的水滴看成一個(gè)固-液-氣三相的體系。水滴以接觸熱傳導(dǎo)和熱輻射的方式從空氣中獲得熱量；也可通過(guò)與冷表面接觸熱傳導(dǎo)和熱輻射的方式失去熱量[73-75]。對(duì)于微納米結(jié)構(gòu)表面來(lái)講，如果水滴在其表面呈Cassie-Baxter態(tài)，則空氣存在于水滴與微納米結(jié)構(gòu)之間(見(jiàn)圖2(b))，其能夠有效地阻止熱輻射，從而延長(zhǎng)水滴結(jié)冰時(shí)間；當(dāng)水滴在微納米結(jié)構(gòu)表面呈現(xiàn)Wenzel態(tài)時(shí)，水滴直接與冷表面及微納米結(jié)構(gòu)接觸，易通過(guò)接觸式傳導(dǎo)的方式損失熱量。因此，相較于Cassie-Baxter態(tài)，Wenzel態(tài)水滴延遲結(jié)冰的時(shí)間變短。對(duì)于有機(jī)潤(rùn)滑鋁基防冰表面，水滴與有機(jī)潤(rùn)滑液層之間不存在空氣，其延遲結(jié)冰的能力主要基于有機(jī)潤(rùn)滑層本身的低表面能性質(zhì)。除了熱傳導(dǎo)之外，在水滴被冷凍的過(guò)程中，微納米結(jié)構(gòu)之間可能會(huì)存在極小的水滴，這部分極小的水滴容易在微納米結(jié)構(gòu)的邊界或者缺陷處冷凍為冰，也可能通過(guò)彈跳的方式離開(kāi)表面[76]。另外，如果水滴在鋁基防冰表面進(jìn)行反復(fù)的冷凍和解凍，防冰表面的微納米結(jié)構(gòu)或者有機(jī)潤(rùn)滑層會(huì)隨之損耗[77-78]，其延遲水滴結(jié)冰的能力也將隨之降低。

圖2 超疏水表面水滴的潤(rùn)濕行為(a)和冷凍行為(b)Fig.2 Wetting (a) and freezing (b) behaviors of water droplets on superhydrophobic surfaces

對(duì)于水滴延遲結(jié)冰的表征，目前尚未統(tǒng)一的衡量標(biāo)準(zhǔn)，需依據(jù)鋁基防冰表面的種類(lèi)、水滴大小、相對(duì)濕度、測(cè)試溫度等因素綜合來(lái)判斷鋁基表面延遲水滴結(jié)冰的能力。表2為超疏水型鋁基防冰表面的水滴延遲結(jié)冰總結(jié)情況[3,8,24,39-41,44,47,56-58,61,64-65,71]，可以看出，測(cè)試水滴的大小在4～50 μL之間，相對(duì)濕度為47%～90%，測(cè)試溫度為16.5～-23 ℃，延遲時(shí)間在300～7500 s之間。在延遲水滴結(jié)冰過(guò)程中，表2中的測(cè)試溫度也存在兩種情況：(1)將水滴直接置于目標(biāo)溫度環(huán)境中；(2)將水滴從室溫逐漸冷卻，直至達(dá)到目標(biāo)溫度。由于延遲結(jié)冰的條件不同，簡(jiǎn)單地通過(guò)比較延遲時(shí)間來(lái)比較不同表面防冰性能優(yōu)劣的意義不大，目前研究人員也沒(méi)有提出明確的延遲時(shí)間作為判斷防冰表面的依據(jù)，因此結(jié)冰延遲時(shí)間僅可作為判斷同類(lèi)表面防冰性能的參考指標(biāo)[74]。

表2 超疏水型鋁基防冰表面的水滴延遲結(jié)冰Table 2 Delay of droplets freezing on superhydrophobic Al-based anti-icing surfaces

2.2 冰黏附強(qiáng)度

冰黏附強(qiáng)度可用單位接觸面積上除冰作用力的最大值來(lái)定義，其影響因素有很多，例如冰黏附強(qiáng)度測(cè)試方法[79]、測(cè)試溫度[79]、測(cè)試儀器[2]、冰的種類(lèi)[80]、冰的大小[81]、表面類(lèi)型[82]、冰的斷裂方式[81]等。通常情況下，對(duì)于冰黏附強(qiáng)度而言，不考慮測(cè)試冰塊大小對(duì)它的影響，且冰在表面的斷裂方式為機(jī)械黏合失效。此外，除冰測(cè)試設(shè)備往往依賴于測(cè)試方法，而冰的類(lèi)型取決于結(jié)冰溫度和測(cè)試方法，故測(cè)試方法和測(cè)試溫度確定，所測(cè)得的冰黏附強(qiáng)度就具有可比性[81]。

表3總結(jié)了不同鋁基防冰表面冰黏附強(qiáng)度的測(cè)試方法和測(cè)試溫度[4,17-18,20-22,25,28,30,34,36-38,58,60,62-63,66,83-84]?？梢钥闯?，冰黏附強(qiáng)度在0.58～300 kPa之間，其測(cè)試溫度在-5～-33 ℃之間，測(cè)試方法則有離心力法、軸向剪切力法、水平剪切力法、垂直剪切力法和抗張強(qiáng)度法(見(jiàn)圖3)。鋁基有機(jī)潤(rùn)滑防冰表面(見(jiàn)圖1)具有較低的冰黏附強(qiáng)度(<30 kPa)[17-18]，然而反復(fù)結(jié)冰/除冰過(guò)程中有機(jī)潤(rùn)滑層的損耗不可避免，故該類(lèi)表面的使用期限取決于有機(jī)潤(rùn)滑層的存在與否[77]。對(duì)于超疏水型鋁基防冰表面(見(jiàn)圖1)而言，其冰黏附強(qiáng)度主要取決于低能表面層的可持續(xù)性和微納米結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度。在長(zhǎng)時(shí)間低溫和較高濕度的情況下，冰在微納米結(jié)構(gòu)間隙中會(huì)不斷形成，并與微納米結(jié)構(gòu)形成互鎖的狀態(tài)[85-86]，這會(huì)顯著增加表面的冰黏附強(qiáng)度。在反復(fù)除冰過(guò)程中，超疏水型鋁基防冰表面的低能表面層和微納米結(jié)構(gòu)會(huì)漸漸地?fù)p耗，最終失去防冰性能。

表3 鋁基防冰表面的冰黏附強(qiáng)度Table 3 Ice adhesion strength of Al-based anti-icing surfaces

圖3 常用檢測(cè)冰黏附強(qiáng)度的方法(a)離心力；(b)水平剪切力；(c)抗張強(qiáng)度；(d)垂直剪切力；(e)軸向剪切力Fig.3 Most commonly used test methods for ice adhesion strength(a)centrifugal force;(b)horizontal shear;(c)tensile strength;(d)vertical shear;(e)axial shear

3 結(jié)束語(yǔ)

在長(zhǎng)時(shí)間低溫的情況下，材料表面結(jié)冰的累積往往是不可避免的，因此如何降低防冰表面的冰黏附強(qiáng)度或者延遲表面水滴結(jié)冰成為目前的研究熱點(diǎn)。雖然主動(dòng)除冰法已被廣泛應(yīng)用于社會(huì)生產(chǎn)和生活中，但其花費(fèi)巨大，可能會(huì)產(chǎn)生環(huán)境污染，也存在潛在的安全隱患。被動(dòng)除冰法，則能有效地降低結(jié)冰的可能性，或者使表面積冰被輕易除去。鋁基材料廣泛應(yīng)用于生產(chǎn)和生活中，研究低溫下鋁基表面的防冰性能有助于各種設(shè)備、設(shè)施安全可靠地運(yùn)行。本文主要介紹了兩種類(lèi)型的仿生鋁基防冰表面：有機(jī)潤(rùn)滑型表面和超疏水型表面。對(duì)于這兩種表面的制備，都需先在鋁基表面制備微納米結(jié)構(gòu)，再通過(guò)表面低能化或者填充有機(jī)潤(rùn)滑液來(lái)實(shí)現(xiàn)。然后介紹了各種微納米結(jié)構(gòu)的制備方法及其優(yōu)缺點(diǎn)，包括陽(yáng)極氧化法、酸刻蝕法、鹽刻蝕法、堿刻蝕法、熱/沸水法、噴砂法、激光法、溶膠-凝膠法、高速電火花法等。最后闡述了鋁基防冰表面的兩種表征方式：冰黏附強(qiáng)度和水滴延遲結(jié)冰。通過(guò)表征手段，在一定程度上能夠大致判斷某種鋁基表面是否具有防冰性能。

目前，鋁基防冰表面和其他類(lèi)型的防冰表面一樣，如何增加鋁基表面的耐磨性及結(jié)冰/除冰循環(huán)下表面防冰的可持續(xù)性是實(shí)際應(yīng)用中亟須解決的難題。對(duì)于有機(jī)潤(rùn)滑型鋁基防冰表面來(lái)講，有機(jī)潤(rùn)滑層本身的機(jī)械耐磨性不佳，其在結(jié)冰/除冰反復(fù)循環(huán)過(guò)程中會(huì)逐漸地被積冰帶走，從而產(chǎn)生不可逆的損耗。目前較為可行的方式為改變潤(rùn)滑層液體種類(lèi)或者使用固體有機(jī)潤(rùn)滑層(低溫下為固體)，從而來(lái)延長(zhǎng)其實(shí)際應(yīng)用中的使用壽命。對(duì)于超疏水型鋁基防冰表面，可通過(guò)增加微納米結(jié)構(gòu)本身的強(qiáng)度、設(shè)計(jì)更加合理且具有力學(xué)強(qiáng)度的微納米結(jié)構(gòu)、提高微納米結(jié)構(gòu)本身的彈性、利用微納米結(jié)構(gòu)的自愈合性能以及材料內(nèi)部引入不同尺度的中空結(jié)構(gòu)等方式來(lái)提高其表面的耐磨性及低能表面層的可持續(xù)性，從而延長(zhǎng)其實(shí)際應(yīng)用中防冰性能的持續(xù)時(shí)間?？傮w來(lái)說(shuō)，鋁基防冰表面能夠減緩鋁基設(shè)備表面的積冰形成或者降低其冰黏附強(qiáng)度，保障了設(shè)備在低溫下長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行的安全性和可靠性，也為未來(lái)鋁基防冰表面在南北極勘探、海洋開(kāi)發(fā)、電動(dòng)車(chē)低溫節(jié)能等方面發(fā)揮重要作用提供了可能。