微纳米分级结构表面的冰粘附特性及剪切力作用下的脱冰机理

Based on weather conditions of aircraft icing, this project mainly focuses on the study about the internal mechanism relationships of microstructures, low-temperature non-wettability, resisting ice adhesion, and shedding-ice mechanism (under shear force). Aiming at the smaller size (mean diameter of ~ 40 μm ) of supercold droplets in freezing environments, we design and controllably construct the micro-nanoscale hierarchical structures, which display an excellent superhydrophobicity on the surface of 2024 aviation aluminum alloy. Meanwhile, the low-temperature dynamic non-wettability is also evaluated to grasp its depended relationship with microstructures, faithfully increasing the dynamic non-wettability under low temperatures, especially the shorter contact time of impact droplets. Subsequently, research emphasis is to analyze the ice adhesion characteristics of the micro-nanoscale hierarchical structure surface under the conditions of ice wind tunnel, and reveal the microscopic interfacial essence between the different types of ice (clear ice and rime ice) and the hierarchical structures. On this basis, we measure and analyze the deicing energy-consumption of the different types of ice adhering to the surface of hierarchical structures under shear force and investigate the shedding-ice mechanism, laying the theoretical foundation of coupling the traditional mechanical deicing techniques.

本项目基于飞机结冰气象条件，开展围绕微观结构-低温非润湿特性-抑冰粘附-剪切力脱冰机理之间内在作用机制关系的研究，针对结冰环境中的过冷液滴云层（液滴平均直径约40 微米），在航空铝合金2024表面设计并可控构筑具有超疏水特性的微纳米分级结构，评价其表面在低温条件下的动态非润湿性能并分析依赖微观结构的性能调控机理，进一步降低表面撞击液滴的反弹接触时间；其次，重点研究结冰风洞条件下微纳米分级结构表面的冰层粘附特性，揭示不同冰型（明冰和霜冰）与微纳米分级结构之间的微观界面作用机制。并在此基础上，测试分析微纳米分级结构表面不同冰型在剪切力作用下的除冰能耗情况，同时研究其脱冰机理，为耦合传统力学除冰手段奠定理论基础。

目前,飞机表面防/除冰方法以机械振动、液体除冰和电热除冰为主。虽然这些方法具有较好的防冰效果，但是需要在飞机上加装额外的防/除冰装置，导致飞机设计复杂化、制造成本增加及降低了燃油效率，难以满足飞机轻量化和高燃油经济性设计的要求。因此亟待发展一种新型的防除冰技术，以期能够减少对现有高能耗防除冰技术的依赖程度。. 本项目基于仿生超疏水界面理论，在航空铝合金表面构筑微纳米分级结构，经氟硅烷修饰后得到超疏水表面。研究发现，不同的微纳米分级结构表面（微纳米阵列复合结构表面、开放式纳米锥状结构表面、封闭式层状多孔结构表面、微块-纳米线分级结构表面）都能使液滴快速弹离表面，接触时间分别为10 ms、11.2 ms、10.6 ms和9.8 ms。同时，开展表面低温下液滴润湿性能及冷凝液滴自驱离性能的研究，随着温度的不断降低，表面静态接触角减小，弹跳接触时间随之延长，最终由于温度过低（-20℃），表面液滴的粘滞阻力太大而不能弹起。开放式锥状结构超疏水表面由于其表面极低的粘附力，表现出优异的冷凝液滴自驱离性能。此外，这些表面表现出优异的防冰抗霜能力，表面冰层附着力分别减小至75 kPa、100.4 kPa、35.7 kPa、16 kPa。为探究在外力作用下，固-冰界面裂纹扩展机制，引入Druker-Prager强度准则，模拟固-冰界面断裂过程并探究固-冰接触模型和冰型对固-冰界面剪切粘附特性的影响机制，结果表明，相比于Wenzel固-冰界面模型，Cassie-Baxter固-冰界面模型的Mises最大应力降低了近4倍，且剪切损伤区域较大。最后，利用风洞试验对微纳米分级结构表面展开除冰性能验证研究，相比较于光滑基体表面，微纳米二级结构表面展现出稳定的防冰性能，结冰量减小了83 g，除冰能耗降低约40%。