超低冰黏附强度防冰材料的制备及其作用机理研究

Preventing icing on exposed surfaces is important for life and technology. Although repelling ice and suppressing ice nucleation are anti-icing approaches, icing is unavoidable as temperature decreases and time elapses. A realistic roadmap of icephobicity is to live with ice, but with lowest possible ice adhesion. This project investigates the preparation of super-low ice adhesion surfaces by introducing sub-structures in the low elastic modulus substrate. The reason is that the deformation of sub-structures will results in stiffness inhomogeneity under shear force. Crack can be induced by such stiffness inhomogeneity and thus leads to the reduction of ice adhesion. Considering the importance of sub-structures in reducing ice adhesion, this project studies the roles of shape, dimension, density and force direction in the deformation mechanism of sub-structures and investigates their influence on ice adhesion. Besides, this project also studies the stability, transferability and self-removal of ice for sub-structures, which is important to the understanding of the mechanism between ice and anti-icing materials with super-low ice adhesion.

防止冰在裸露表面的累积，对于生活和科技各方面至关重要。虽然可以通过自除冰和延长冰结晶的方式来防冰，但是随着时间的推移和温度的降低，结冰现象是不可避免的。最现实的防冰手段则是允许冰的存在，但是要求冰的黏附强度达到最小。本项目通过在低弹性模量材料内部引入三维中空结构的方法，来实现制备超低冰黏附强度防冰材料。其原理是在水平剪切力的作用下，三维中空结构的形变会致使材料表面的弹性模量产生不均一性。该不均一性能够在界面诱导产生裂纹，从而大大降低冰的黏附强度。基于三维中空结构在降低冰黏附强度过程中所起的重要作用，本项目对不同形状、不同尺度、不同密度分布和不同外力方向作用的三维中空结构的形变机制进行探讨，并掌握其对冰黏附强度的影响。此外，本项目还对三维中空结构的稳定性，可移植性和自除冰现象也进行了研究，这对充分理解冰和超低黏附强度防冰材料表面的相互作用机理具有十分重要意义。

防止冰在裸露表面的累积，对于生活和科技各方面至关重要。虽然可以通过自除冰和延长冰结晶的方式来防冰，但是随着时间的推移和温度的降低，结冰现象是不可避免的。最现实的防冰手段则是允许冰的存在，但是要求冰的黏附强度达到最小。本项目通过在低弹性模量材料内部引入三维中空结构（如不同形状、不同尺度、不同密度分布）的方法，来实现制备超低冰黏附强度防冰材料。其主要研究内容包括防冰材料内部中空结构的设计与制备，宏观裂纹促进防冰表面机理的揭示及该策略移植到其他防冰策略中的应用。研究结果表明通过调控冰与表面的宏观裂纹，可有效降低冰黏附强度；宏观裂纹数量越多，越利于降低冰黏附强度；作用在防冰表面剪切力方向也对冰黏附强度有影响，当作用力的方向与中空结构垂直时，冰黏附强度最低。当宏观裂纹促进防冰与水润滑防冰策略相结合，相比于未作处理的表面，这两种防冰策略结合制备的防冰表面可有效降低冰黏附强度，最低值为17.6±3.2 kPa，其降低幅度可达51.9%。这两种防冰策略的结合可以最大化冰与表面的宏观裂纹，并同时保留两种防冰策略的优点，从而实现协同效应来降低冰黏附强度。对最新防铝基、柔性、动态等防冰表面研究进展的总结可以看出，未来优异的防冰表面应该引入柔性表面、内部中空结构（即宏观裂纹促进防冰机理）和主动防冰技术（如光热和电热），从而实现超低冰黏附强度。总之，具有超低冰黏附强度防冰表面在航空航天、南北极科考、海上石油勘探、紧急逃生通道、电网设施等方面的应用具有重大现实意义。