仿生自清洁表面对冻黏效应的影响规律及机理研究

项目研究表面的微观形态结构对冻黏现象（结霜、结冰、积雪等）的影响规律及其机理。负温环境下建筑幕墙、飞机机翼、电力设施、汽车玻璃等部件表面的积雪、结霜、结冰等冻黏现象是低温危害及灾害形式之一。本项目的研究依据是当前较成熟的"低能材料涂层防结冰技术"和20世纪60年代已有报道的"粗糙度对冻黏特性的影响"效应。基于以上理论和技术，项目以仿生非光滑理论为切入点，分析仿生自清洁表面的微观非光滑"粗糙"形态及其引起的自清洁"低能"效应对冻黏特性的影响规律及机理，为开发一种基于表面形态改良的简便、廉价、持久的防冻黏技术提供研究基础。仿生自清洁表面是基于生物自清洁效应的，利用微观表面形态改变而实现的具有超疏水、自清洁效应的低能表面。相比"低能材料涂层"和"粗糙"表面，仿生自清洁表面是由可量化的微观形貌实现的低表面能表面，因此同时兼备"低能"和"粗糙"表面具有的冻黏影响效应。

低温环境下部件表面的结霜、结冰、积雪等现象影响工程部件的工作效率、可靠性，甚至安全性。如车辆底盘积冰影响操控性，输变电线路覆冰影响系统安全性，空调系统结霜影响换热效率，城市建筑物冰挂造成行人安全隐患等。项目通过试验研究了冻黏的影响因素及其规律，并提出了改变表面形态的人为可控方法来抑制或降低冻黏强度。针对项目目的，（1）结合工程实地调研搭建了用于观察和评价结霜结冰特性的试验平台。提出了2种表面冰黏附强度评价标准并制备出试验装置，试验表明，该装置试验重复性和操作性能够满足研究要求。（2）对冷表面自然结霜规律进行了观察研究，发现冷表面上结霜的形成及生长过程存在内部塌陷重组过程，指出了霜层附着强度的增强来源于内部的融冻重组。（3）基于超疏水对结霜的延缓作用和蝴蝶表面的多次结霜试验发现，蝴蝶表面具有延缓结霜初期水珠凝聚、冻结的作用，并且其润湿性经多次冻融反复试验后保持较好；粗糙度引起的微观形貌表面对初始霜层的有影响，但对后续霜层的生长影响不显著。（4）通过结冰试验观察了冷表上结冰的形成规律和因素效应，试验发现，冻结初期冻结强度随冻结时间增加在趋于稳定的过程中存在突降并再增现象；冷表面初始温度对结冰附着强度影响显著，较低的初始温度能降低结冰附着强度。（5）基于水结冰相变过程中的体积膨胀现象，提出了基于表面形态改良的防结冰表面方案，并以PMMA和铝为对象进行了结冰附着强度测试，试验结果表明，合理的形态设计可有效降低冰在材料表面的附着强度。项目围绕冻黏形成规律和人为可控因素效应的试验观察进行研究，优化了现有除冰技术并提出了新式防除冰技术方法。