防冰涂层的制备及其性能研究文献综述

1. 献综述（或调研报告）：
2. 引言

冰形成和堆积对道路安全、飞机、输电电缆、风力涡轮机和许多其他设备的使用都造成了巨大的威胁。例如，在飞机上，厚度在1.2毫米左右的冰粘在翼型表面会使单位面积的升力降低25%，给飞机的操作带来很大困难；换热器表面形成的冰使制冷系统的效率降低了50-70%^[1]；绝缘子严重结冰会消除绝缘子的电气绝缘，从而威胁输电系统或通信系统的安全...积冰带来的麻烦远远不止这些，也给我们的日常生活带来了许多不便，并且每年还会造成巨大的经济损失。

为了能够防冰和疏冰，研究人员和工程师在过去的几十年里，为了解结冰的物理化学机制做出了大量的努力，并想出了许多防冰的策略，静态防冰是较早得以应该的一种方法。静态防冰意味着这些表面上的冰底界面在结冰后的化学或物理状态没有动态变化。比如，电热加热、机械除冰和化学改性。然而，这些方法往往有着较为明显的弊端。机械除冰就是通过人工操作, 采用适当的除冰机械进行除冰,其特点是运行成本低 ,但效率低、工作强度大且受天气和地形限制，既不安全,又不十分有效。只能作为一种应急方法 ,而加热除冰则是通过对基材表面加热除冰，例如对飞机表面通过热风、热油或机身表面发热元件通过通电加热进行飞机表面快速除冰，但是其在飞机表面无法长期使用，而且效果难以达到预期。

与静态方便不同，近期研究的的动态防冰策略侧重于融化或改变固体冰-基底界面。这些新的动态防冰表面的一个有趣的例子：利用太阳照明或近红外辐射快速融化积冰的光热陷阱方法。

现有的防冰技术，大致有静态和动态防冰，也就是主动防冰和被动除冰。被动除冰就是上述的机械、热力除冰技术。主动防冰主要就是通过使材料的表面形成超疏水结构，从而能够达到疏冰的效果。目前主要有结构、液体防冰。结构防冰是在发动机设计过程中，采取特殊的结构设计手段来实现防冰。液体防冰技术是将撞击在零件防冰表面上的过冷水滴与喷涂的防冰液混合，使部件表面温度高于液体凝固点或混合物冰点温度低于环境温度而不结冰的防冰技术。常用的防冰液有乙二醇、丙二醇、乙酸钾等^[2]。通过介绍这些除冰的方法并加以制备，并对其应用的前景加以分析。

1. 材料表面防冰与疏冰的机理

经研究发现，人们防止冰的侵害大概可以分成两个大部分——防冰和疏冰。防冰是在液体阶段使尽量少的液体不要与表面发生润湿，从而延迟结冰现象的发生，达到防冰的效果；疏冰则是当形成冰核后的稳定阶段，希望表面能够拥有较低的表面能，减小表面与冰的附着力，使冰很容易除去。图1是液体到结冰的全过程，揭示了防冰过程包括了液滴自推进、液滴弹跳和超润湿几个方面的内容^[3]，而疏冰则是需要在冰核和搭桥的机制上做出良好的应对。

图1 疏水材料表面防冰和疏冰机制

• 1. 结冰与防冰理论

防冰主要通过控制液滴自推进、液滴弹跳和超润湿三个方面使液滴的结冰过程尽可能地延迟或使液滴尽可能地减少，从而到达防冰的要求。

• • 1. 表面润湿机理

润湿性静态状态是在三相(固-液-汽)界面处平衡的结果。液体液滴在平面上不能完全扩展，因此会与固体表面形成一定角度的theta;。杨氏方程是研究固体表面润湿性的基础。通常把这个theta;，即接触角gt;150°，且滚动角lt;10°的表面称为超疏水表面。

但是杨氏方程只适用于理想的平坦表面，如图2（a）。实际上，固体表面通常是粗糙和不均匀的，粗糙表面上的液滴的实际theta;与杨氏方程的theta;是不同的。为了更好地分析非理想粗糙表面的润湿性，采用一定角度的表观接触角theta;*来评价润湿性。图2（b）的Wenzel模型较好地揭示了theta;*与表面微观粗糙结构的关系。Wenzel润湿模型认为固体与液体的接触是一种完全渗透的状态，具有适当几何微观结构，可以产生更高的theta;*。但是，对于自然界中一些不能用这个模型来解释的润湿现象，例如荷叶的自清洁能力和瓢虫后背上的水滴迅速滑落的现象。图2（c）中Cassie-Baxter模型揭示了另一种混合固液接触和液汽接触的复合界面。对于Cassie-Baxter模型，因为液体与固体之间存在着大量的空气隙，所以实际接触面积比表观接触面积小得多，因此会导致小滑动角或小滑动角的低水粘着性。

因此，从疏水疏冰的角度来看，防冰材料应具有符合Cassie-Baxter润湿模型要求的微观结构。