工程科学学报 Chinese Journal of Engineering 低冰粘附强度表面设计与制备研究进展 江华阳吴楠吕家杰刘钧尹昌平高世涛 Research progress on the design principle and preparation of low ice adhesion surface JIANG Hua-yang.WU Nan,L Jia-jie,LIU Jun,YIN Chang-ping.GAO Shi-tao 引用本文： 江华阳，吴楠，吕家杰，刘钧，尹昌平，高世涛.低冰粘附强度表面设计与制备研究进展U.工程科学学报，2021,43(10)：1413- 1424.doi:10.13374j.issn2095-9389.2021.01.14.008 JIANG Hua-yang,WU Nan,L Jia-jie,LIU Jun,YIN Chang-ping,GAO Shi-tao.Research progress on the design principle and preparation of low ice adhesion surface[].Chinese Journal of Engineering,2021,43(10):1413-1424.doi:10.13374/j.issn2095- 9389.2021.01.14.008 在线阅读View online:https::/doi.org10.13374.issn2095-9389.2021.01.14.008 您可能感兴趣的其他文章 Articles you may be interested in 氟化改性硅树脂制备的超疏水涂层防覆冰性能 Anti-icing performance of superhydrophobic coating prepared by modified fluorinated silicone 工程科学学报.2018,40(7)：864htps:/ldoi.org10.13374.issn2095-9389.2018.07.013 铝合金表面水滑石薄膜的制备及其耐蚀性研究进展 Research progress on the preparation and corrosion resistance of layered double hydroxides film on aluminum alloys 工程科学学报.2020,42(1)：1 https:/1doi.org/10.13374.issn2095-9389.2019.08.28.003 石墨烯基超疏水材料制备及其应用研究进展 Research progress in the preparation and application of graphene-based superhydrophobic materials 工程科学学报.2021,433：332htps:/oi.org10.13374.issn2095-9389.2020.09.25.001 全尾砂膏体流变学研究现状与展望（下）：流变测量与展望 Status and prospects of research on the rheology of paste backfill using unclassified tailings(Part 2):rheological measurement and prospects 工程科学学报.2021,43(4：451htps:/doi.org/10.13374.issn2095-9389.2019.10.29.002 基于金属有机框架材料设计合成锂离子电池电极材料的研究进展 Research progress of MOFs-derived materials as the electrode for lithiumion batteries-a short review 工程科学学报.2020.425)：527 https::oi.org10.13374.issn2095-9389.2019.12.29.001 铝棒低银铅合金表面陶瓷化复合阳极的制备与性能 Preparation and properties of Al-rod-Pb-0.2%Ag composite anode by surface ceramization 工程科学学报.2019,41(10：1315htps:/doi.org/10.13374.issn2095-9389.2018.11.04.002
低冰粘附强度表面设计与制备研究进展 江华阳 吴楠 吕家杰 刘钧 尹昌平 高世涛 Research progress on the design principle and preparation of low ice adhesion surface JIANG Hua-yang, WU Nan, L Jia-jie, LIU Jun, YIN Chang-ping, GAO Shi-tao 引用本文: 江华阳, 吴楠, 吕家杰, 刘钧, 尹昌平, 高世涛. 低冰粘附强度表面设计与制备研究进展[J]. 工程科学学报, 2021, 43(10): 1413- 1424. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2021.01.14.008 JIANG Hua-yang, WU Nan, L Jia-jie, LIU Jun, YIN Chang-ping, GAO Shi-tao. Research progress on the design principle and preparation of low ice adhesion surface[J]. Chinese Journal of Engineering, 2021, 43(10): 1413-1424. doi: 10.13374/j.issn2095- 9389.2021.01.14.008 在线阅读 View online: https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2021.01.14.008 您可能感兴趣的其他文章 Articles you may be interested in 氟化改性硅树脂制备的超疏水涂层防覆冰性能 Anti-icing performance of superhydrophobic coating prepared by modified fluorinated silicone 工程科学学报. 2018, 40(7): 864 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2018.07.013 铝合金表面水滑石薄膜的制备及其耐蚀性研究进展 Research progress on the preparation and corrosion resistance of layered double hydroxides film on aluminum alloys 工程科学学报. 2020, 42(1): 1 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2019.08.28.003 石墨烯基超疏水材料制备及其应用研究进展 Research progress in the preparation and application of graphene-based superhydrophobic materials 工程科学学报. 2021, 43(3): 332 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2020.09.25.001 全尾砂膏体流变学研究现状与展望（下）：流变测量与展望 Status and prospects of research on the rheology of paste backfill using unclassified tailings (Part 2): rheological measurement and prospects 工程科学学报. 2021, 43(4): 451 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2019.10.29.002 基于金属有机框架材料设计合成锂离子电池电极材料的研究进展 Research progress of MOFs-derived materials as the electrode for lithiumion batteries — a short review 工程科学学报. 2020, 42(5): 527 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2019.12.29.001 铝棒低银铅合金表面陶瓷化复合阳极的制备与性能 Preparation and properties of Al-rod-Pb-0.2%Ag composite anode by surface ceramization 工程科学学报. 2019, 41(10): 1315 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2018.11.04.002
工程科学学报.第43卷，第10期：1413-1424.2021年10月 Chinese Journal of Engineering,Vol.43,No.10:1413-1424,October 2021 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2021.01.14.008;http://cje.ustb.edu.cn 低冰粘附强度表面设计与制备研究进展 江华阳，吴楠四，吕家杰》，刘钧)区，尹昌平)，高世涛) 1)国防科技大学空天科学学院材料科学与工程系，长沙4100732)96901部队31分队，北京100094 ☒通信作者，E-mail:lierenwn@nudt.edu.cn,liujun502@qg.com 摘要表面结冰给通讯、电力等工业领域带来巨大损失，电加热和喷洒乙二醇等主动除冰方法虽然在一定程度上可以解决 上述问题，但在能源、人力、环境方面需付出较高代价，为解决这一问题，低成本、低能耗的被动式防除冰表面被寄予厚望 防除冰表面主要分为延长结冰时间的防冰表面和低冰粘附强度的除冰表面.由于实际工况的复杂性，除冰表面比防冰表面 更具有可实现性.除冰表面主要与低表面能、界面滑动和裂纹产生相关，低冰粘附强度表面按实现机理可分为化学改性低表 面能表面、润滑表面、界面滑动表面和裂纹源表面.本文对不同类型低冰粘附表面的低冰粘附强度产生的原因和表面的制备 方法进行总结.同时，对冰粘附强度的测量标准进行了说明和讨论，以解释不同的测试方法对防除冰性能测试结果造成的 差异. 关键词除冰：冰粘附：测量标准：表面设计：超浸润 分类号TB34 Research progress on the design principle and preparation of low ice adhesion surface JIANG Hua-yang,WU Nan,LU Jia-jie,LIU Jun,YIN Chang-ping,GAO Shi-tao) 1)Department of Materials Science and Engineering.College of Aerospace Science and Engineering,National University of Defense Technology, Changsha 410073,China 2)Unit 31,PLA 96901,Beijing 100094,China Corresponding author,E-mail:lierenwn @nudt.edu.cn;liujun502@qq.com ABSTRACT Ice accretion on a bare surface causes a serious problem in industries and daily life such as communication,electricity, and transportation.At present,the main de-icing method is active de-icing.which includes mechanical de-icing or electric-thermal de- icing and spraying glycol anti-icing agents.These methods have a high cost of manpower,energy,and environment.In addition,active de-icing is not applicable in many scenarios.To solve this problem,icephobic surfaces are expected to be widely used.Icephobic surfaces can be divided into surfaces that prolong the freezing time and surfaces with low ice adhesion.Anti-icing surfaces,represented by superhydrophobic surfaces,can inhibit a stable formation of ice nucleation from delaying ice formation,which enables the supercooled droplets to rebound from the surface to prevent ice formation.However,under high humidity and high atmospheric pressure,the superhydrophobic surface may lose efficiency due to frosting and other reasons.Compared with anti-icing surfaces,de- icing surfaces are more achievable.Thus,this article mainly explores surfaces with low ice adhesion.Passive de-icing mainly refers to the construction of the ice sparing surface on a bare substrate to reduce the adhesion strength of icing.Compared with active de-icing methods,the passive method has advantages of low energy consumption,low cost,and environmental friendliness.The realization of low ice adhesion is mainly related to low surface energy,interface slippage,and crack initiation.According to the realization mechanism, low ice adhesion surfaces can be divided into low surface energy surfaces,lubricated surfaces,interfacial slippage and low shear modulus surfaces,and crack initiators surfaces.The design principles and mechanism of the de-icing surface are explored and 收稿日期：2021-01-14 基金项目：湖南省自然科学基金资助项目(2021JJ30028)
低冰粘附强度表面设计与制备研究进展 江华阳1)，吴 楠1) 苣，吕家杰1)，刘 钧1) 苣，尹昌平1)，高世涛2) 1) 国防科技大学空天科学学院材料科学与工程系, 长沙 410073 2) 96901 部队 31 分队, 北京 100094 苣通信作者， E-mail: lierenwn@nudt.edu.cn; liujun502@qq.com 摘 要 表面结冰给通讯、电力等工业领域带来巨大损失，电加热和喷洒乙二醇等主动除冰方法虽然在一定程度上可以解决 上述问题，但在能源、人力、环境方面需付出较高代价. 为解决这一问题，低成本、低能耗的被动式防/除冰表面被寄予厚望. 防/除冰表面主要分为延长结冰时间的防冰表面和低冰粘附强度的除冰表面. 由于实际工况的复杂性，除冰表面比防冰表面 更具有可实现性. 除冰表面主要与低表面能、界面滑动和裂纹产生相关，低冰粘附强度表面按实现机理可分为化学改性低表 面能表面、润滑表面、界面滑动表面和裂纹源表面. 本文对不同类型低冰粘附表面的低冰粘附强度产生的原因和表面的制备 方法进行总结. 同时，对冰粘附强度的测量标准进行了说明和讨论，以解释不同的测试方法对防/除冰性能测试结果造成的 差异. 关键词 除冰；冰粘附；测量标准；表面设计；超浸润 分类号 TB34 Research progress on the design principle and preparation of low ice adhesion surface JIANG Hua-yang1) ，WU Nan1) 苣 ，LÜ Jia-jie1) ，LIU Jun1) 苣 ，YIN Chang-ping1) ，GAO Shi-tao2) 1) Department of Materials Science and Engineering, College of Aerospace Science and Engineering, National University of Defense Technology, Changsha 410073, China 2) Unit 31, PLA 96901, Beijing 100094, China 苣 Corresponding author, E-mail: lierenwn@nudt.edu.cn; liujun502@qq.com ABSTRACT Ice accretion on a bare surface causes a serious problem in industries and daily life such as communication, electricity, and transportation. At present, the main de-icing method is active de-icing, which includes mechanical de-icing or electric-thermal deicing and spraying glycol anti-icing agents. These methods have a high cost of manpower, energy, and environment. In addition, active de-icing is not applicable in many scenarios. To solve this problem, icephobic surfaces are expected to be widely used. Icephobic surfaces can be divided into surfaces that prolong the freezing time and surfaces with low ice adhesion. Anti-icing surfaces, represented by superhydrophobic surfaces, can inhibit a stable formation of ice nucleation from delaying ice formation, which enables the supercooled droplets to rebound from the surface to prevent ice formation. However, under high humidity and high atmospheric pressure, the superhydrophobic surface may lose efficiency due to frosting and other reasons. Compared with anti-icing surfaces, deicing surfaces are more achievable. Thus, this article mainly explores surfaces with low ice adhesion. Passive de-icing mainly refers to the construction of the ice sparing surface on a bare substrate to reduce the adhesion strength of icing. Compared with active de-icing methods, the passive method has advantages of low energy consumption, low cost, and environmental friendliness. The realization of low ice adhesion is mainly related to low surface energy, interface slippage, and crack initiation. According to the realization mechanism, low ice adhesion surfaces can be divided into low surface energy surfaces, lubricated surfaces, interfacial slippage and low shear modulus surfaces, and crack initiators surfaces. The design principles and mechanism of the de-icing surface are explored and 收稿日期: 2021−01−14 基金项目: 湖南省自然科学基金资助项目（2021JJ30028） 工程科学学报，第 43 卷，第 10 期：1413−1424，2021 年 10 月 Chinese Journal of Engineering, Vol. 43, No. 10: 1413−1424, October 2021 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2021.01.14.008; http://cje.ustb.edu.cn
1414 工程科学学报，第43卷，第10期 summarized in this article.In addition,to eliminate the doubts about the large variations in the reported ice adhesion strength caused by different measurement methods,the measurement standards of ice adhesion are also analyzed and discussed KEY WORDS de-icing;ice adhesion;test standard;surface design;superwetting 冰在裸露表面上的粘附和积聚对人类的生产 分为低表面能表面、润滑表面、界面滑动表面和 和生活造成严重危害.在电力和通信领域，设备与 裂纹源表面等，详细分类如图1所示 线缆上的积冰如不能及时除去，将导致相关设施 1.1低表面能表面 发生倒塌-②2008年南方雪灾，电力设施遭受严 早期研究表明，冰在材料表面的粘附强度大 重破坏，直接经济损失上千亿元.在航空领域，结 小与化学键、范德华力和氢键等因素密切相关5- 冰天气严重威胁飞机的飞行安全.1975一2018年 Petrenk和Peng"7通过实验证明冰粘附强度随着 期间，由结冰引起的灾难性飞行事故占总事故数 表面氢键数量的增加而增加.此外，粗糙表面常使 量的14.3%1船舶结冰严重时可能导致船舶倾 得冰与表面的有效接触面积较大并可能产生机械 覆.韩国海军舰队在俄罗斯海参藏地区遭遇气温 互锁作用，导致冰粘附强度增大利用氟化物等 突降，舰体出现大面积结冰，险些倾覆由于极 低表面能物质对表面进行修饰即可降低表面能， 地具有复杂的海气交换等特点，极地开发面临更 得到低表面能表面. 为严重的结冰灾害，因而迫切需要新的高效低能 1.1.1自组装单分子表面 耗的除冰手段 通过氟硅烷等化学物质对表面进行改性是较 现有的主动除冰方式可分为物理法（机械除 为简单的降低表面冰粘附强度的策略.例如，在铝 冰或电加热除冰)和化学法（喷酒盐水或乙二醇等 合金表面接枝二甲基-正十八烷基硅氧烷等，经干 抗结冰剂)，这些方式具有较高的人力、能源和环 燥固化即可得到自组装单分子层(Self-assembled 境成本.此外，主动除冰在许多场景下难以实现 monolayer,SAM),其表面如图2(a)所示.使用氟硅 如无人机受限于电池容量和机体复杂性，不能采 烷改性可使冰粘附强度降低至86.2±29kPa9-20 用电加热除冰等方式，因此需要一种无需能耗且 但简单改性得到的表面致密性较差（如图2(b)所 自发除冰的除冰方式6-刀.被动除冰主要指在裸露 示)，经受机械摩擦及除冰循环后将容易失效四 的基底上构筑疏冰表面，减少冰的粘附量和降低 积冰的粘附强度.相对于主动除冰，被动方式具有 1.1.2CVD聚合物表面 低能耗、低成本和环境友好等优势，开发低冰粘附 化学气相沉积法(Chemical vapor deposition, 强度表面具有重要意义阁 CVD)可制备较厚的氟化物涂层，但得到的涂层表 疏冰表面包含防冰与除冰两部分.防冰的目 面常存在如图2(c)所示的粗糙结构，机械互锁作 的为抑制表面霜冻和积冰形成，除冰的目的则是 用使其除冰效果不如SAM涂层，已报道的氟化物 降低冰在表面上的粘附强度9.构筑超疏水表面 涂层表面最低粘附强度为134kPa2四后来又发展 (Superhydrophobic surfaces,SHSs)具有一定防冰效 出引发式化学气相沉积法(Initiated chemical vapor 果，但在实际应用中难以达到理想效果0四更加 deposition,iCVD)P).利用这种技术可以在聚二乙 现实的方式是允许一定程度的结冰，但在重力作 烯苯(Poly-divinylbenzene,pDVB)上附加一层全氟 用或轻微的机械振动下易被去除)研究者通常 丙烯酸酯层(Poly-perfluorodecylacrylate,PPFDA), 将冰粘附强度小于60kPa的表面称为低冰粘附强 制备过程如图2(d)所示.该涂层冰粘附强度与 度表面，最终目标是超低冰粘附强度表面，即粘附 CVD法得到的表面相近，但粘附性和机械强度 强度小于l0kPa的表面4 更优2 本文将不同除冰策略的低冰粘附强度表面做 1.2润滑表面 了分类，分析不同表面的设计方法、机理、性能以 早期的润滑表面主要指仿猪笼草内壁结构 及优缺点，并介绍了低冰粘附强度表面性能的测 的超滑表面(Slippery liquid infused porous surfaces, 试方法及标准 SLIPs)2,其结构如图3所示，在超疏水表面填充 润滑液，形成“固/液复合膜层”2%目前，除超滑 1低冰粘附强度表面类型 表面外，也有研究者将润滑液与聚合物基底融合 根据不同的除冰策略将低冰粘附强度表面划 制成缓释涂层或自润滑涂层
summarized in this article. In addition, to eliminate the doubts about the large variations in the reported ice adhesion strength caused by different measurement methods, the measurement standards of ice adhesion are also analyzed and discussed. KEY WORDS de-icing；ice adhesion；test standard；surface design；superwetting 冰在裸露表面上的粘附和积聚对人类的生产 和生活造成严重危害. 在电力和通信领域，设备与 线缆上的积冰如不能及时除去，将导致相关设施 发生倒塌[1−2] . 2008 年南方雪灾，电力设施遭受严 重破坏，直接经济损失上千亿元. 在航空领域，结 冰天气严重威胁飞机的飞行安全. 1975—2018 年 期间，由结冰引起的灾难性飞行事故占总事故数 量的 14.3% [3] . 船舶结冰严重时可能导致船舶倾 覆. 韩国海军舰队在俄罗斯海参崴地区遭遇气温 突降，舰体出现大面积结冰，险些倾覆[4] . 由于极 地具有复杂的海气交换等特点，极地开发面临更 为严重的结冰灾害，因而迫切需要新的高效低能 耗的除冰手段[5] . 现有的主动除冰方式可分为物理法（机械除 冰或电加热除冰）和化学法（喷洒盐水或乙二醇等 抗结冰剂），这些方式具有较高的人力、能源和环 境成本. 此外，主动除冰在许多场景下难以实现. 如无人机受限于电池容量和机体复杂性，不能采 用电加热除冰等方式，因此需要一种无需能耗且 自发除冰的除冰方式[6−7] . 被动除冰主要指在裸露 的基底上构筑疏冰表面，减少冰的粘附量和降低 积冰的粘附强度. 相对于主动除冰，被动方式具有 低能耗、低成本和环境友好等优势，开发低冰粘附 强度表面具有重要意义[8] . 疏冰表面包含防冰与除冰两部分. 防冰的目 的为抑制表面霜冻和积冰形成，除冰的目的则是 降低冰在表面上的粘附强度[9] . 构筑超疏水表面 (Superhydrophobic surfaces, SHSs) 具有一定防冰效 果，但在实际应用中难以达到理想效果[10−12] . 更加 现实的方式是允许一定程度的结冰，但在重力作 用或轻微的机械振动下易被去除[13] . 研究者通常 将冰粘附强度小于 60 kPa 的表面称为低冰粘附强 度表面，最终目标是超低冰粘附强度表面，即粘附 强度小于 10 kPa 的表面[14] . 本文将不同除冰策略的低冰粘附强度表面做 了分类，分析不同表面的设计方法、机理、性能以 及优缺点，并介绍了低冰粘附强度表面性能的测 试方法及标准. 1 低冰粘附强度表面类型 根据不同的除冰策略将低冰粘附强度表面划 分为低表面能表面、润滑表面、界面滑动表面和 裂纹源表面等，详细分类如图 1 所示. 1.1 低表面能表面 早期研究表明，冰在材料表面的粘附强度大 小与化学键、范德华力和氢键等因素密切相关[15−16] . Petrenk 和 Peng[17] 通过实验证明冰粘附强度随着 表面氢键数量的增加而增加. 此外，粗糙表面常使 得冰与表面的有效接触面积较大并可能产生机械 互锁作用，导致冰粘附强度增大[18] . 利用氟化物等 低表面能物质对表面进行修饰即可降低表面能， 得到低表面能表面. 1.1.1 自组装单分子表面 通过氟硅烷等化学物质对表面进行改性是较 为简单的降低表面冰粘附强度的策略. 例如，在铝 合金表面接枝二甲基−正十八烷基硅氧烷等，经干 燥固化即可得到自组装单分子层 (Self-assembled monolayer, SAM)，其表面如图 2（a）所示. 使用氟硅 烷改性可使冰粘附强度降低至 86.2 ± 29 kPa[19−20] . 但简单改性得到的表面致密性较差（如图 2（b）所 示），经受机械摩擦及除冰循环后将容易失效[21] . 1.1.2 CVD 聚合物表面 化 学 气 相 沉 积 法 (Chemical vapor deposition, CVD) 可制备较厚的氟化物涂层，但得到的涂层表 面常存在如图 2（c）所示的粗糙结构，机械互锁作 用使其除冰效果不如 SAM 涂层，已报道的氟化物 涂层表面最低粘附强度为 134 kPa[22] . 后来又发展 出引发式化学气相沉积法 (Initiated chemical vapor deposition，iCVD)[23] . 利用这种技术可以在聚二乙 烯苯 (Poly-divinylbenzene，pDVB) 上附加一层全氟 丙 烯 酸 酯 层 (Poly-perfluorodecylacrylate， pPFDA)， 制备过程如图 2（ d）所示. 该涂层冰粘附强度与 CVD 法得到的表面相近，但粘附性和机械强度 更优[24] . 1.2 润滑表面 早期的润滑表面主要指仿猪笼草内壁结构 的超滑表面 (Slippery liquid infused porous surfaces， SLIPs) [25] ，其结构如图 3 所示，在超疏水表面填充 润滑液，形成 “固/液复合膜层” [26] . 目前，除超滑 表面外，也有研究者将润滑液与聚合物基底融合 制成缓释涂层或自润滑涂层. · 1414 · 工程科学学报，第 43 卷，第 10 期
江华阳等：低冰粘附强度表面设计与制备研究进展 1415 surface Ludinfigedsgtaces Lubricating surfaces e Low ice adhesion surface Solid 100 msm3s-gsoo 图1 低冰粘附强度表面分类 Fig.I Classification of the low ice adhesion surfaces (a) (b) Self-assembled molecules Substrate 20m (d)DVB ◆TBPO PFDA ◆TBPO H,C OCH,CH,(CF)CF, DPFDA PDVB pDVB Substrate Substrate Substrate 图2化学改性低表面能表面形貌及其制备流程示意图.(a)自组装单分子层示意图叫：(b)自组装单层膜表面SEM图像：(c)CVD沉积聚四氟 乙稀表面SEM图像四：(d)iCVD法沉积氟化聚合物表面过程示意图.其中TBPO为过氧化丁基(tet-butyl peroxide)P4 Fig.2 Morphology and preparation flow diagram of the chemical-modified low surface energy surface:(a)schematic diagram of the self-assembled monolayer9;(b)SEM image of the surface of the self-assembled monolayer (c)SEM image of the surface of the deposited PTFER2,(d)fluorinated polymer surface deposition process by iCVD.TBPO is tert-butyl peroxide 1.2.1超滑表面 不稳定7要制备稳定的SLIPs需要遵守三个基 简单的在SHSs中注入润滑液得到的SLIPs并 本的原则：(1)润滑液可以润湿固相基底：(2)润滑
1.2.1 超滑表面 简单的在 SHSs 中注入润滑液得到的 SLIPs 并 不稳定[27] . 要制备稳定的 SLIPs 需要遵守三个基 本的原则：（1）润滑液可以润湿固相基底；（2）润滑 Liquid infused surfaces Stress- ol calized surface C ar ck ni it ai ot rs surfaces Chemical deposition modified surface Low-shear modulus surface Flourinated materials surfaced Interfac ai l sl pi page us r af ces Self-lubricating surface oll o H s w bu s- urt t c r u e us r af ce Lubricating surfaces Self-assembled monolayer L wo - ni et r af i c l a ot gu nh se s s fr u eca Low ice adhesion surface Solid Pore 100 图 1 低冰粘附强度表面分类 Fig.1 Classification of the low ice adhesion surfaces (d) DVB TBPO PFDA O H2C OCH2CH2 (CF2 )7CF3 TBPO Substrate pPFDA pDVB Substrate pPFDA pDVB Substrate O O Self-assembled molecules (a) Substrate (b) 20 μm (c) 图 2 化学改性低表面能表面形貌及其制备流程示意图. （a）自组装单分子层示意图[19] ；（b）自组装单层膜表面 SEM 图像[21] ；（c）CVD 沉积聚四氟 乙烯表面 SEM 图像[22] ；（d）iCVD 法沉积氟化聚合物表面过程示意图，其中 TBPO 为过氧化丁基（tert-butyl peroxide） [24] Fig.2 Morphology and preparation flow diagram of the chemical-modified low surface energy surface: (a) schematic diagram of the self-assembled monolayer[19] ; (b) SEM image of the surface of the self-assembled monolayer[21] ; (c) SEM image of the surface of the deposited PTFE[22] ; (d) fluorinated polymer surface deposition process by iCVD, TBPO is tert-butyl peroxide[24] 江华阳等： 低冰粘附强度表面设计与制备研究进展 · 1415 ·
·1416 工程科学学报，第43卷，第10期 (图4(a).Kim等29通过电化学法在铝基底沉积 聚吡咯(Polypyrrole,.PPy),再注入全氟聚醚作为润 滑剂，该设计赋予表面一定的抗水滴冲击性能，冰 Substrate 粘附强度为15kPa(图4(b).Zhang等Bo在镁合 金基材上合成了由润滑层、多孔顶层、SAM、层状 Environmental fluids(such as water) Inject lubricant will not replace or be miscible 双氢氧化物(Layered double hydroxide,LDH)和致 with lubricating fluids 密底层组成的多层SLPs防冰涂层，兼具耐腐蚀性 Lubricant- 和防冰性能（图4(c).Tao等B通过聚甲基乙烯 Lubricant wets the substrate 基硅氧烷(Polymethylvinylsiloxane,PMVS)、聚甲 Substrate 基氢硅氧烷(Polymethylhydrosiloxan,.PMHS)和氟 化的多面体低聚倍半硅氧烷(Fluorinated polyhedral 图3超润滑表面示意图 oligomeric silsesquioxanes,.F-POSS-SiH)的硅氢加成 Fig.3 Schematic diagram of the SLIPs 反应，开发了一种基于聚硅氧烷的高效耐用的光 液与基底间具有稳定的附着力：(3)润滑液不与外 滑疏冰涂层.该涂层的冰粘附强度仅为3.8kPa,并 界液体互溶阿 且在15次除冰循环后性能保持不变（图4(d)).上 Vogl等2网采用闭孔结构防止润滑液流失，提 述工作通过不同的材料体系或设计结构延长SLIPs 高SLIPs的使用稳定性，所制备的SLIPs表现出 的使用寿命，但SLIPs的液态润滑油在高温、水滴 长达9个月的稳定性，其冰粘附强度低至10kPa 动态等环境中依然会流失耗散 (c) Lubricant -SAM top layer -LDH under layer 一Mg alloy 3 um (d) PMVS F-POSS-Si i0- PPy coating 2μm MHS 5 um Untreated Al Wavy surface 10 um 20 um Substrate 图4 SLIPs表面形貌及其示意图.(a)闭孔结构SEM图像2：(b)未经处理的铝区域和PPy涂层区域的SEM图像2：(c)在镁合金上制备的多层 SLIPs涂层的示意图P网，(d)聚硅氧烷和氟化POSS自组装涂层的示意图四 Fig.4 Topography and schematic diagram of SLIPs:(a)SEM image of the nanohole arraysl;(b)SEM images of the untreated aluminum area and the PPy coated area (c)schematic diagram of various barriers proposed in the prepared SLIPs coating on the magnesium alloy(d)schematic diagram of the self-assembled coating of polysiloxane and fluorinated POSS
液与基底间具有稳定的附着力；（3）润滑液不与外 界液体互溶[25] . Vogel 等[28] 采用闭孔结构防止润滑液流失，提 高 SLIPs 的使用稳定性，所制备的 SLIPs 表现出 长达 9 个月的稳定性，其冰粘附强度低至 10 kPa （图 4（a））. Kim 等[29] 通过电化学法在铝基底沉积 聚吡咯（Polypyrrole，PPy），再注入全氟聚醚作为润 滑剂，该设计赋予表面一定的抗水滴冲击性能，冰 粘附强度为 15 kPa（图 4（b））. Zhang 等[30] 在镁合 金基材上合成了由润滑层、多孔顶层、SAM、层状 双氢氧化物（Layered double hydroxide，LDH）和致 密底层组成的多层 SLIPs 防冰涂层，兼具耐腐蚀性 和防冰性能（图 4（c））. Tao 等[31] 通过聚甲基乙烯 基硅氧烷（ Polymethylvinylsiloxane， PMVS）、聚甲 基氢硅氧烷 (Polymethylhydrosiloxan， PMHS) 和氟 化的多面体低聚倍半硅氧烷（Fluorinated polyhedral oligomeric silsesquioxanes，F-POSS-SiH）的硅氢加成 反应，开发了一种基于聚硅氧烷的高效耐用的光 滑疏冰涂层. 该涂层的冰粘附强度仅为 3.8 kPa，并 且在 15 次除冰循环后性能保持不变（图 4（d））. 上 述工作通过不同的材料体系或设计结构延长 SLIPs 的使用寿命，但 SLIPs 的液态润滑油在高温、水滴 动态等环境中依然会流失耗散. Environmental fluids (such as water) will not replace or be miscible with lubricating fluids Lubricant wets the substrate Substrate Substrate Lubricant Inject lubricant 图 3 超润滑表面示意图 Fig.3 Schematic diagram of the SLIPs LDH & under layer PMVS PMHS Wavy surface Substrate CH3 CH CH2 Si O CH3 F−POSS−SiH H Si O (a) (b) (c) (d) PPy coating Untreated Al 5 μm 2 μm 10 μm 20 μm 5 μm Lubricant SAM & top layer Mg alloy 图 4 SLIPs 表面形貌及其示意图. （a）闭孔结构 SEM 图像[28] ；（b）未经处理的铝区域和 PPy 涂层区域的 SEM 图像[29] ；（c）在镁合金上制备的多层 SLIPs 涂层的示意图[30] ；（d）聚硅氧烷和氟化 POSS 自组装涂层的示意图[31] Fig.4 Topography and schematic diagram of SLIPs: (a) SEM image of the nanohole array[28] ; (b) SEM images of the untreated aluminum area and the PPy coated area[29] ; (c) schematic diagram of various barriers proposed in the prepared SLIPs coating on the magnesium alloy[30] ; (d) schematic diagram of the self-assembled coating of polysiloxane and fluorinated POSS[31] · 1416 · 工程科学学报，第 43 卷，第 10 期