超疏水表面的過冷水滴捕獲規(guī)律研究

王文帥，陳增貴，燕則翔，呂湘連，何洋

西北工業(yè)大學(xué) 空天微納系統(tǒng)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710072

云層中溫度在冰點(diǎn)以下，仍保持液態(tài)的水滴稱過冷水滴。飛機(jī)穿過過冷水滴云層時(shí)，液滴與飛機(jī)表面發(fā)生碰撞，進(jìn)而發(fā)生結(jié)冰[1]。飛機(jī)表面結(jié)冰，使得氣動(dòng)結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，從而影響飛機(jī)整體的操縱穩(wěn)定性，干擾內(nèi)部的儀表設(shè)備。若表面覆冰脫落，還有可能會(huì)破壞發(fā)動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)，引起更嚴(yán)重的飛行問題，甚至導(dǎo)致飛機(jī)墜毀[2-3]。基于超疏水表面特性的防冰技術(shù)是一種新型的飛機(jī)防冰方案，針對(duì)超疏水表面防冰機(jī)理的研究可以促進(jìn)防冰系統(tǒng)功耗的精準(zhǔn)設(shè)計(jì)，拓寬技術(shù)應(yīng)用面。

實(shí)際飛行條件下，單一的超疏水涂層無法實(shí)現(xiàn)有效防冰。目前，采用主動(dòng)與被動(dòng)相結(jié)合的防/除冰技術(shù)是滿足飛機(jī)防冰需求的最佳方案。楊軍等[4]從潤濕性模型及微觀層面出發(fā)，證明了超疏水表面通過減少液滴與表面的接觸面積來降低冰黏附強(qiáng)度，可降低約34%的電加熱防冰能耗。A.Dolatabadi 等[5]通過冰風(fēng)洞試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)復(fù)合防/除冰方法能夠減少75%的除冰時(shí)間。Morita等[6]提出了一種防冰涂層和電加熱相結(jié)合的混合防冰系統(tǒng)，在試驗(yàn)條件下可有效降低30%～70%的能耗。孫永陽等[7]制備了具有超疏水性質(zhì)的仿生納米復(fù)合膜，配合電熱除冰系統(tǒng)，在測(cè)試條件下能夠保持表面不結(jié)冰。何洋等[8]開展了一系列復(fù)合式防/除冰技術(shù)的研究，包括具有仿生功能表面的制備、超疏水表面防冰機(jī)理的研究[9]，以及超疏水電熱復(fù)合蒙皮的冰風(fēng)洞防冰試驗(yàn)等[10-11]。

現(xiàn)有防/除冰系統(tǒng)設(shè)計(jì)僅從機(jī)理上分析了超疏水表面節(jié)省功率的可能性，并未探究得出超疏水表面過冷水滴收集特性的量化參數(shù)。本文通過設(shè)計(jì)試驗(yàn)測(cè)量超疏水表面的過冷水滴捕獲率，對(duì)捕獲規(guī)律開展了機(jī)理研究，并結(jié)合傳熱及表面特性理論對(duì)不同試驗(yàn)條件下表面過冷水滴捕獲率的差異進(jìn)行了分析。

1 過冷水滴捕獲率噴霧系統(tǒng)設(shè)計(jì)

在過冷水滴捕獲率試驗(yàn)中，噴霧系統(tǒng)的作用是產(chǎn)生具有一定初速度的均勻過冷水滴，模擬結(jié)冰條件下云霧場(chǎng)環(huán)境。噴霧系統(tǒng)由噴嘴、液路和氣路組成，通過調(diào)節(jié)液壓和氣壓控制液滴大小和速度。

1.1 噴霧系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

噴霧系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖1 所示，主要包括氣路系統(tǒng)、液路系統(tǒng)和噴嘴[12]。氣路系統(tǒng)和液路系統(tǒng)相互獨(dú)立，工作時(shí)分別從噴嘴的兩側(cè)進(jìn)入[13]。

圖1 噴霧系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)原理圖Fig.1 Schematic diagram of the overall structure of the spray system

氣路系統(tǒng)主要由空氣壓縮機(jī)、開關(guān)閥、過濾器、減壓裝置、壓力表、放氣閥組成。通過開關(guān)閥可以實(shí)現(xiàn)對(duì)氣源的總體控制?？諝膺^濾器可以防止霧化噴嘴被微小固體顆粒堵塞。減壓裝置可以將氣壓降低到0.6MPa以內(nèi)，精度控制在0.02MPa，實(shí)現(xiàn)對(duì)氣體壓力的精準(zhǔn)控制。

液路系統(tǒng)主要包括水箱、放水閥、過濾器、轉(zhuǎn)子流量計(jì)、加熱器等。通過調(diào)節(jié)帶刻度水箱中液柱的高度可以實(shí)現(xiàn)對(duì)噴嘴水壓的控制。通過轉(zhuǎn)子流量計(jì)可以測(cè)量液路中的流量。設(shè)置加熱器是為了防止低溫環(huán)境下液體結(jié)冰堵塞噴嘴。綜合考慮噴射角度、噴霧面積及均勻性，本試驗(yàn)選擇實(shí)心錐形內(nèi)混式噴嘴。

1.2 噴霧系統(tǒng)流量可控性測(cè)量

噴霧系統(tǒng)對(duì)過冷水滴流量的可控性在一定程度上影響著過冷水滴捕獲率試驗(yàn)的準(zhǔn)確性，提高噴霧系統(tǒng)流量的可控性是該試驗(yàn)的一項(xiàng)重要任務(wù)。試驗(yàn)前，需要分別測(cè)量噴霧系統(tǒng)液壓、氣壓與噴霧流量的代數(shù)關(guān)系，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)噴霧流量的可控性。

（1） 液面高度與噴霧流量的關(guān)系

液面高度是指水箱中液面高度與噴嘴之間的垂直高度，它直接影響著連接噴嘴的液路輸入壓力。通過設(shè)置試驗(yàn)，在輸入氣壓0.25MPa、液面高度20～200cm條件下，流量與液面高度的關(guān)系如圖2所示。

圖2 噴霧流量與液面高度的關(guān)系Fig.2 Spray flow rate in relation to liquid level

線性擬合得出噴霧流量與液面高度的關(guān)系式，即

在統(tǒng)計(jì)學(xué)中，對(duì)變量進(jìn)行線性回歸分析時(shí)，一般采用最小二乘法進(jìn)行參數(shù)估計(jì)，其中判定系數(shù)R2反映了回歸方程的擬合程度，其取值在0～1之間，一般認(rèn)為當(dāng)R2超過0.8時(shí)，模型的擬合優(yōu)度比較高。經(jīng)計(jì)算，R2誤差為0.9703，線性擬合程度高，式（1）較為準(zhǔn)確地描述了噴霧流量與液面高度的代數(shù)關(guān)系，由此得出結(jié)論：在氣壓不變的情況下，噴霧流量與液面高度呈線性關(guān)系，即可以通過調(diào)節(jié)液面高度控制噴霧流量。

（2） 氣壓與噴霧流量的關(guān)系

氣壓是保證噴霧均勻、液滴初速度穩(wěn)定的重要參數(shù)。以0.05MPa 為步長(zhǎng)進(jìn)行多次重復(fù)試驗(yàn)，得到流量與氣壓間的對(duì)應(yīng)關(guān)系如圖3所示。

圖3 噴霧流量與輸入氣壓的關(guān)系Fig.3 Spray flow rate in relation to air pressure

擬合得到噴霧流量與輸入氣壓之間的關(guān)系式，即

經(jīng)計(jì)算，R2誤差為0.9693，線性擬合程度高，并得出結(jié)論：其他試驗(yàn)條件相同時(shí)，噴霧流量與輸入氣壓呈線性關(guān)系，可以通過調(diào)節(jié)氣路氣壓控制噴霧流量。

1.3 液滴直徑

為提高準(zhǔn)確性，在噴霧系統(tǒng)設(shè)計(jì)完成后必須對(duì)液滴直徑和噴嘴出口風(fēng)速等參數(shù)進(jìn)行測(cè)量[14]。

在航空領(lǐng)域，使用液態(tài)水含量（LWC）來衡量單位體積內(nèi)液態(tài)水的重量（質(zhì)量），以描述環(huán)境中液滴分布情況；使用平均容積直徑（MVD）來描述液滴的大小，即所有小于該直徑的全部水滴所構(gòu)成的液態(tài)水含量與所有大于該直徑的全部水滴所構(gòu)成的液態(tài)水含量相等[15]。飛機(jī)容易發(fā)生結(jié)冰的水滴平均容積直徑范圍是20～50μm，由圖4可得，本試驗(yàn)中產(chǎn)生液滴的MVD值為35.0μm，符合試驗(yàn)要求。

圖4 測(cè)量液滴直徑Fig.4 Droplet diameter measurement

2 超疏水表面過冷水滴捕獲率試驗(yàn)

過冷水滴捕獲率表示材料表面捕獲過冷水滴結(jié)冰的能力，主要受溫度、LWC、MVD、表面能等因素影響。當(dāng)飛機(jī)在過冷水滴云層中飛行時(shí)，假設(shè)云霧場(chǎng)的LWC 與MVD 相對(duì)穩(wěn)定，則環(huán)境溫度、穿云時(shí)間及飛行姿態(tài)將直接導(dǎo)致機(jī)身不同表面上的過冷水滴捕獲率差異，進(jìn)而影響機(jī)身不同區(qū)域的覆冰情況。

本文選取溫度、噴霧時(shí)長(zhǎng)、傾斜角度三個(gè)變量模擬實(shí)際飛行場(chǎng)景，探究不同條件下超疏水表面過冷水滴捕獲率的變化規(guī)律。

2.1 試驗(yàn)材料制備

聚酰亞胺（PI）是一種高性能的工程材料，具有優(yōu)異的高溫穩(wěn)定性、耐腐蝕性及良好的力學(xué)性能，在航空航天領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。

過冷水滴捕獲率試驗(yàn)中采用的樣板分別是PI表面樣板和超疏水表面樣板，具體制備過程如圖5所示。

圖5 制備試驗(yàn)樣板流程Fig.5 Preparation of an experimental template

不同材料表面接觸角如圖6 所示。其中，超疏水表面樣板的靜態(tài)接觸角為151.6°＞150°，滾動(dòng)角<5°，為超疏水表面。PI樣板表面靜態(tài)接觸角為54.5°<90°，為親水表面。

圖6 材料表面靜態(tài)接觸角Fig.6 Material static contact angle

2.2 試驗(yàn)平臺(tái)

圖7為過冷水滴捕獲率試驗(yàn)平臺(tái)，整個(gè)試驗(yàn)平臺(tái)處于低溫冷庫內(nèi)。使用固定支架安裝噴嘴，通過調(diào)節(jié)氣路系統(tǒng)的進(jìn)氣壓力和液面高度來控制噴嘴的噴霧速度和流量；試驗(yàn)工作臺(tái)用于布置固定支架和角度傾斜臺(tái)，角度傾斜臺(tái)上放置試驗(yàn)樣板，通過旋轉(zhuǎn)旋鈕可以控制試驗(yàn)樣板與水平面的夾角；采用相機(jī)記錄試驗(yàn)，用于觀察樣板的表面結(jié)冰情況。

圖7 過冷水滴捕獲率試驗(yàn)平臺(tái)Fig.7 Supercooled water droplet capture rate experimental platform

2.3 風(fēng)速均勻性

實(shí)心錐形內(nèi)混式噴嘴產(chǎn)生的出口風(fēng)速理論上呈圓形分布，因此采用十字交叉法測(cè)量其風(fēng)速分布。將樣板置于與噴嘴的垂直方向距離為40cm處，并且使十字交叉點(diǎn)正對(duì)噴嘴出口，使用皮托管測(cè)量每個(gè)測(cè)量點(diǎn)的風(fēng)速。

由圖8可知，此區(qū)域內(nèi)的平均風(fēng)速為4.96m/s，且相對(duì)偏差不超過±5%。后續(xù)試驗(yàn)中，可認(rèn)為該區(qū)域內(nèi)水滴到達(dá)試驗(yàn)樣板表面的速度相同，樣板表面過冷水滴收集系數(shù)的差異僅由試驗(yàn)條件的改變?cè)斐伞?/p>

圖8 十字交叉法測(cè)量風(fēng)速分布Fig.8 The cross method measures the wind speed distribution

2.4 測(cè)試方案

過冷水滴捕獲率是指過冷水滴在與固體表面碰撞的過程中，被表面捕獲而凍結(jié)的水滴重量占所有接觸過表面的水滴重量的比例，計(jì)算方法如式（3）所示

式中，a為樣板表面過冷水滴捕獲率；m為在樣板上凍結(jié)的過冷水滴質(zhì)量；M為所有接觸過樣板表面的水滴質(zhì)量。具體測(cè)量方案如圖9所示。

圖9 凍結(jié)水滴質(zhì)量測(cè)試方案Fig.9 Test programme for freezing water droplet mass

過冷水滴捕獲率試驗(yàn)容易受各種因素的影響，導(dǎo)致試驗(yàn)結(jié)果出現(xiàn)很大的波動(dòng)。本試驗(yàn)分別從試驗(yàn)樣板質(zhì)量稱量過程、試驗(yàn)溫度等方面嚴(yán)格控制誤差。

（1）質(zhì)量測(cè)量

試驗(yàn)中使用高精度電子秤對(duì)試驗(yàn)樣板進(jìn)行稱重，精度為0.01g。為防止未被捕獲的過冷水滴流走，導(dǎo)致M值的測(cè)量結(jié)果變小，將試驗(yàn)樣板換為垂直投影面積相等的正方形凹槽，在凹槽內(nèi)鋪上一層海棉塊，用于吸收噴霧過程中落入正方形凹槽內(nèi)的過冷水滴。

（2）環(huán)境溫度

本試驗(yàn)在封閉的恒溫冷庫中進(jìn)行，試驗(yàn)過程中環(huán)境溫度變化小于0.5°C，可以認(rèn)為每個(gè)工況試驗(yàn)中環(huán)境溫度保持穩(wěn)定。每個(gè)條件下進(jìn)行三次重復(fù)試驗(yàn)，以保證試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性。

3 不同試驗(yàn)條件對(duì)過冷水滴捕獲率的影響

從環(huán)境溫度、樣板傾斜角度、噴霧時(shí)長(zhǎng)三個(gè)方面探究不同表面過冷水滴捕獲率規(guī)律，并根據(jù)試驗(yàn)現(xiàn)象與數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

3.1 環(huán)境溫度變化的過冷水滴捕獲率試驗(yàn)

為探究環(huán)境溫度對(duì)水滴捕獲率的影響，試驗(yàn)中，保持每次試驗(yàn)噴霧時(shí)長(zhǎng)為60s，樣板傾斜角度為40°，設(shè)定5組環(huán)境溫度（-2℃、-5℃、-8℃、-11℃、-14℃），記錄PI 表面樣板、超疏水表面樣板在不同溫度下的前后質(zhì)量差，最終試驗(yàn)結(jié)果如圖10 所示。圖10 中，a1、a2分別表示PI 表面樣板和超疏水表面樣板的過冷水滴捕獲率，a2/a1為超疏水表面樣板占PI表面樣板水滴捕獲率的百分比。

圖10 不同環(huán)境溫度對(duì)水滴捕獲率的影響Fig.10 Effect of ambient temperature on water droplet capture rate

兩組試驗(yàn)樣板在不同溫度下表面結(jié)冰情況如圖11 所示，其中，左圖為PI表面樣板，右圖為超疏水表面樣板。試驗(yàn)結(jié)果表明，環(huán)境溫度為-2℃和-5℃時(shí)，大多數(shù)過冷水滴在試驗(yàn)表面撞擊與滾動(dòng)過程中沒有結(jié)冰，兩組試驗(yàn)表面輕微結(jié)冰，呈點(diǎn)狀分布。超疏水表面的過冷水滴收集系數(shù)保持在10%左右，約占PI表面的20%。

圖11 不同環(huán)境溫度條件下的試驗(yàn)現(xiàn)象Fig.11 Experimental phenomenon under different ambient temperature conditions

隨著溫度繼續(xù)降低，當(dāng)環(huán)境溫度為-8℃時(shí)，部分過冷水滴在撞擊過程中便開始結(jié)冰，超疏水表面上的結(jié)冰現(xiàn)象變得嚴(yán)重，幾乎覆蓋整個(gè)表面，過冷水滴收集系數(shù)出現(xiàn)驟增，達(dá)到同溫度下PI表面的70%，超疏水表面特性開始失效。

當(dāng)環(huán)境溫度為-11℃、-14℃時(shí)，大多數(shù)過冷水滴在撞擊過程中便立即發(fā)生結(jié)冰，超疏水表面的結(jié)冰情況進(jìn)一步加重，覆冰情況與PI表面基本相同。超疏水表面過冷水滴收集系數(shù)與PI表面的差異進(jìn)一步縮小，且存在隨著溫度持續(xù)降低，兩表面的收集系數(shù)增加且趨于相同的趨勢(shì)。此時(shí)，超疏水表面特性完全失效。

3.2 傾斜角度變化的過冷水滴捕獲率試驗(yàn)

在傾斜角度對(duì)水滴捕獲率的影響測(cè)試試驗(yàn)中，保持每次試驗(yàn)噴霧時(shí)長(zhǎng)為60s，環(huán)境溫度為-5℃，設(shè)定7 組傾斜角度（10°、25°、40°、55°、60°、70°、80°），記錄樣板在不同試驗(yàn)環(huán)境溫度下的前后質(zhì)量差。試驗(yàn)結(jié)果如圖12所示。

圖12 傾斜角度對(duì)水滴捕獲率的影響Fig.12 Effect of tilt angle on water droplet capture rate

試驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)傾斜角度為10°，兩種表面上的過冷水滴捕獲率均較高。隨著傾斜角度的增加，受重力作用，過冷水滴在不同表面上滾動(dòng)的時(shí)間減短，兩種表面的過冷水滴捕獲率均降低。且在不同傾斜角度下，超疏水表面樣板水滴捕獲率占PI表面樣板水滴捕獲率的比例保持穩(wěn)定，約為25%。

3.3 噴霧時(shí)長(zhǎng)可變的過冷水滴捕獲率試驗(yàn)

在探究噴霧時(shí)長(zhǎng)對(duì)水滴捕獲率的影響試驗(yàn)中，保持試驗(yàn)樣板傾斜角度為10°，環(huán)境溫度為-5℃，分別設(shè)定5 組噴霧時(shí)長(zhǎng)（30s、60s、90s、120s、150s），記錄PI表面樣板、超疏水表面樣板在不同噴霧時(shí)長(zhǎng)下的前后質(zhì)量差。試驗(yàn)結(jié)果如圖13所示。

圖13 噴霧時(shí)長(zhǎng)對(duì)水滴捕獲率的影響Fig.13 Effect of spray duration on droplet capture rate

試驗(yàn)結(jié)果表明，隨著噴霧時(shí)長(zhǎng)的增加，兩試驗(yàn)樣板的水滴捕獲率均逐漸升高，但超疏水表面的捕獲率增長(zhǎng)較慢。不同的噴霧時(shí)長(zhǎng)下，超疏水表面的過冷水滴捕獲率保持為PI表面過冷水滴捕獲率的25%。

4 超疏水表面低過冷水滴捕獲率的機(jī)理研究

4.1 過冷水滴在表面滾動(dòng)過程中的熱傳遞

通過上述試驗(yàn)可以發(fā)現(xiàn)：超疏水表面能降低水滴捕獲率；當(dāng)傾斜角度或噴霧時(shí)長(zhǎng)在一定范圍內(nèi)變化時(shí)，兩種表面的過冷水滴捕獲率相對(duì)值a2/a1保持穩(wěn)定；只有當(dāng)溫度降低時(shí)，a2/a1出現(xiàn)顯著變化。因此，推斷超疏水表面過冷水滴捕獲率較低主要與過冷水滴接觸樣板表面時(shí)發(fā)生的熱傳遞有關(guān)。

過冷水滴與樣板表面發(fā)生碰撞而凍結(jié)的過程中，伴隨熱量傳遞，此過程中發(fā)生的熱傳遞形式主要是熱傳導(dǎo)。熱傳導(dǎo)是指物體之間因溫度差而發(fā)生的能量傳遞，方向如圖14所示。過冷水滴自身熱量釋放的快慢直接影響著水滴在表面滾動(dòng)過程中結(jié)冰的快慢，進(jìn)而造成不同試驗(yàn)條件過冷水滴捕獲率的差異。

圖14 過冷水滴在不同表面上的熱傳導(dǎo)方向Fig.14 Heat conduction process of supercooled water droplets hitting the surface of the template

熱傳導(dǎo)定律表明單位時(shí)間內(nèi)通過給定截面的熱量，正比于垂直該截面方向上的溫度變化率和截面面積，可由式（4）表示

式中，A為導(dǎo)熱面積；dT/dx為溫度梯度；λ為導(dǎo)熱系數(shù)。因此，水滴熱量釋放的過程主要和以下因素有關(guān)。

（1） 樣板表面涂層的導(dǎo)熱系數(shù)

原PI 薄膜的導(dǎo)熱系數(shù)為0.3670W/(m?K)，噴涂有超疏水涂料的PI 薄膜的導(dǎo)熱系數(shù)僅為0.07050W/(m?K)，相對(duì)較低的導(dǎo)熱系數(shù)使得超疏水樣板表面減緩了過冷水滴自身熱量的釋放速度，降低了液滴在表面滾動(dòng)時(shí)結(jié)冰的概率。

（2） 水滴和樣板表面間的溫度梯度

在過冷水滴與樣板表面發(fā)生碰撞的瞬間，過冷水滴和兩樣板表面間的溫度差相同，故溫度梯度對(duì)兩樣板表面的過冷水滴捕獲率的影響較小。

（3） 水滴接觸樣板表面時(shí)的接觸面積

由于靜態(tài)接觸角的差異，過冷水滴碰撞超疏水表面鋪展面積小于PI表面。

圖15 中，左圖為低放大倍數(shù)下的超疏水表面，右圖為高放大倍數(shù)下的表面。超疏水表面具有微納二維復(fù)合粗糙結(jié)構(gòu)，尺寸遠(yuǎn)小于前文測(cè)得噴霧裝置射出的過冷水滴平均直徑，水滴被托起在微結(jié)構(gòu)之上[16]；同時(shí)，超疏水表面的表面能極低，導(dǎo)致大多數(shù)過冷水滴與超疏水表面不完全接觸，接觸面包括固—?dú)饨佑|面和固—液接觸面，即過冷水滴在超疏水表面為Cassie潤濕狀態(tài)[17]，液體與固體不完全接觸，存在氣腔，液滴與樣板間的實(shí)際接觸面積進(jìn)一步減小[18]。

圖15 電鏡觀測(cè)下的超疏水表面Fig.15 Superhydrophobic surface under electron microscopy

（4） 水滴和樣板表面間的接觸時(shí)間

由于超疏水表面的疏水性能以及其微納結(jié)構(gòu)凸起的存在，液滴和超疏水表面間的實(shí)際接觸面積減小，使得液滴所受到的摩擦阻力較小，因此，在相同的傾斜角度下，過冷水滴在超疏水表面上滾動(dòng)時(shí)間更短，用于進(jìn)行熱傳遞的時(shí)間更短，熱傳導(dǎo)的熱量相對(duì)較小。

結(jié)合試驗(yàn)結(jié)果及上述分析可知，超疏水表面的疏水特性主要體現(xiàn)為液態(tài)水滴在樣板表面鋪展、滾動(dòng)的過程。當(dāng)過冷水滴在樣板表面以液態(tài)形式滾動(dòng)時(shí)，由于超疏水表面的導(dǎo)熱系數(shù)小于PI表面，且過冷水滴與超疏水表面間的接觸面積和接觸時(shí)間均小于PI表面，過冷水滴在超疏水表面的熱量釋放速度遠(yuǎn)小于PI表面，不易發(fā)生凍結(jié)被捕獲。大部分水滴可以在樣板表面保持液態(tài)滾動(dòng)的情況下，樣板的傾斜角度或噴霧的時(shí)間在一定范圍內(nèi)改變時(shí)，超疏水表面過冷水滴捕獲率均小于PI表面，約占原PI表面的25%。

4.2 溫度對(duì)過冷水滴捕獲率的影響

試驗(yàn)開始前，將純凈水提前放置在冷庫環(huán)境中，待其溫度降至接近0℃，接入噴霧裝置中。此外，為防止噴嘴噴霧時(shí)發(fā)生結(jié)冰導(dǎo)致液路堵塞，在液路的最后階段設(shè)置用于除冰的加熱器。除冰完成后，待噴頭完全冷卻，再重新開始噴霧。

試驗(yàn)時(shí)，過冷水從噴嘴處射出，霧化成平均直徑為35μm的小液滴，以一定的速度到達(dá)試驗(yàn)樣板表面。參考相關(guān)文獻(xiàn)，當(dāng)液滴初始溫度約為2℃，液滴直徑小于100μm，液滴在由霧化核噴嘴向樣板表面飛行過程中可被進(jìn)一步冷卻成溫度為環(huán)境溫度（-2℃、-5℃、-8℃、-11℃、-14℃）的過冷水滴[19]。

環(huán)境溫度為-2°C、-5°C 時(shí)，大部分過冷水滴在樣板上保持液態(tài)，不容易黏附在兩個(gè)試驗(yàn)樣板上。對(duì)于超疏水表面樣板，水滴在其表面發(fā)生滾動(dòng)時(shí)，少數(shù)小水滴因完全釋放自身熱量發(fā)生凍結(jié)，從而被表面捕獲。超疏水表面具有良好的自清潔特性[20]，水滴在滾動(dòng)的過程中將樣板中已凍結(jié)的少量冰滴沖擊帶走，從而降低了超疏水表面的過冷水滴捕獲率。對(duì)于PI表面樣板，過冷水滴在其表面發(fā)生鋪展并在重力的作用下發(fā)生滾動(dòng)。由于水滴與樣品表面的接觸面積較大，受到的摩擦力較大，導(dǎo)致滾動(dòng)速度相對(duì)緩慢，過冷水滴在此過程中發(fā)生凍結(jié)的概率較大，因而PI表面的過冷水滴收集系數(shù)較高。

當(dāng)環(huán)境溫度降低到-8°C時(shí)，液態(tài)水滴的黏度增高。超疏水表面上液滴的滾動(dòng)速度減慢，液滴與表面的接觸時(shí)間增加，表面出現(xiàn)較大面積的結(jié)冰現(xiàn)象。同時(shí)，表面覆冰會(huì)進(jìn)一步降低超疏水表面的疏水性能，減少了液滴直接接觸超疏水表面的接觸面積，導(dǎo)致液滴被捕獲的概率進(jìn)一步增大。而PI表面上部分液態(tài)水滴以鋪展的方式滾動(dòng)，被捕獲的概率更高。且隨著溫度的降低，部分水滴開始在撞擊過程中發(fā)生結(jié)冰，所以，兩種表面的過冷水滴收集系數(shù)均呈增加趨勢(shì)。

當(dāng)環(huán)境溫度降至-11℃、-14℃時(shí)，大部分過冷水滴滴落在試驗(yàn)樣板表面來不及擴(kuò)散便已完全發(fā)生凍結(jié)。超疏水表面結(jié)霜會(huì)顯著降低超疏水表面的疏水性能[21]，從而導(dǎo)致在此溫度下的超疏水表面過冷水滴捕獲率接近PI表面的過冷水滴捕獲率，兩種表面上的結(jié)冰特征相似。

因而，溫度通過影響過冷水滴撞擊到表面的行為控制收集系數(shù)。若直接撞擊凍結(jié)，則超疏水表面與PI表面的過冷水滴收集系數(shù)無較大差異；如果水滴繼續(xù)在表面滾動(dòng)，則超疏水表面的水滴收集系數(shù)小于PI表面。

4.3 傾斜角度對(duì)過冷水滴捕獲率的影響

過冷水滴在傾斜表面上滾動(dòng)的受力分析如圖16所示。由圖16 可知，當(dāng)傾斜角度不變時(shí)，相同質(zhì)量液滴的重力沿平面向下的分力相同。由于水滴與超疏水表面的接觸面積更小，滾動(dòng)過程中受到的阻力更小，速度更快，因此在表面停留的時(shí)間更短，傳遞的熱量更少，超疏水表面的過冷水滴收集系數(shù)比PI表面更低。

圖16 過冷水滴在樣板表面滾動(dòng)受力分析Fig.16 Force analysis of supercooled water droplets rolling on the surface of the template

當(dāng)兩種樣板的傾斜角增大時(shí)，重力加速度沿著水滴運(yùn)動(dòng)方向的分量均增大，使得水滴在樣板表面的移動(dòng)速度變快，水滴與兩種樣板的接觸時(shí)間變短。同時(shí)，在相同條件下，水滴在超疏水表面停留時(shí)間的減少，意味著水滴通過熱傳導(dǎo)給樣板的熱量隨之減少，進(jìn)而導(dǎo)致水滴在表面凍結(jié)概率的下降，最終降低了過冷水滴捕獲率，導(dǎo)致超疏水表面的過冷水滴系數(shù)降低得更快。相同條件下，超疏水表面的過冷水滴收集系數(shù)約為普通表面的25%。

4.4 噴霧時(shí)長(zhǎng)對(duì)過冷水滴捕獲率的影響

隨著噴霧時(shí)長(zhǎng)的增加，超疏水表面出現(xiàn)水滴堆積。連續(xù)水膜的出現(xiàn)導(dǎo)致用于疏水的有效面積減小，超疏水表面特性對(duì)水滴的作用變小。同時(shí)，凍結(jié)在表面的冰層還會(huì)阻礙過冷水滴的流動(dòng)，不斷發(fā)生堆積結(jié)冰，導(dǎo)致過冷水滴捕獲率隨著噴霧時(shí)長(zhǎng)的增加而增加。但是由于大部分過冷水滴在超疏水表面上滾動(dòng)的過程中均保持液態(tài)，當(dāng)空氣中的液滴來臨時(shí)，這些液滴會(huì)隨表面滾動(dòng)的液滴一起離開表面，在噴霧試驗(yàn)過程中保持一定程度的動(dòng)態(tài)平衡，超疏水表面的水滴捕獲率保持相對(duì)穩(wěn)定。

由于PI表面為親水表面，且過冷水滴在PI表面中容易發(fā)生鋪展而凍結(jié)產(chǎn)生較多的冰滴，雙重因素使得過冷水滴容易在PI表面發(fā)生更為嚴(yán)重的結(jié)冰現(xiàn)象，導(dǎo)致PI表面的過冷水滴捕獲率遠(yuǎn)高于超疏水表面，且隨著噴霧時(shí)長(zhǎng)的增加，PI表面的過冷水滴捕獲率的增長(zhǎng)率高于超疏水表面。

5 結(jié)論

為探究超疏水表面過冷水滴捕獲率規(guī)律，本文搭建了液滴直徑與速度精確可控的噴霧系統(tǒng)，在PI表面噴涂制備得到超疏水表面，設(shè)計(jì)并完成了試驗(yàn)，得到以下結(jié)論：

（1） 當(dāng)環(huán)境溫度為-5°C 時(shí)，通過對(duì)比兩種表面的覆冰量，得出超疏水表面的過冷水滴捕獲率約占PI表面的25%，原因是超疏水表面能夠降低液滴在表面的停留時(shí)間和總量。

（2） 傾斜角或噴霧時(shí)間的變化直接影響了液滴在表面停留的時(shí)間和總量，導(dǎo)致兩種表面的過冷水滴收集系數(shù)均發(fā)生變化；但由于單位時(shí)間內(nèi)撞擊到表面的液滴數(shù)量及液滴在表面的運(yùn)動(dòng)行為不變，超疏水表面的過冷水滴捕獲率與PI表面的相對(duì)值保持穩(wěn)定。

（3） 通過分析液滴運(yùn)動(dòng)過程中的熱傳遞及受力，證明超疏水表面低水滴收集特性主要作用于液滴在表面鋪展、滾動(dòng)的過程，進(jìn)而直接影響過冷液滴與表面的接觸時(shí)間和總量。當(dāng)環(huán)境溫度過低時(shí)（本試驗(yàn)為-8℃以下），液滴直接撞擊表面結(jié)冰，不在表面運(yùn)動(dòng)，超疏水表面便不表現(xiàn)低水滴收集特性，產(chǎn)生大量覆冰。

綜上，本文對(duì)不同試驗(yàn)條件下超疏水表面的低水滴收集系數(shù)進(jìn)行了試驗(yàn)研究，并總結(jié)了相關(guān)規(guī)律，證明了超疏水表面在降低過冷水滴捕獲率方面存在一定的優(yōu)勢(shì)，有利于新一代超疏水電熱復(fù)合蒙皮的防冰功率精確設(shè)計(jì)與能耗優(yōu)化。