0 引 言

    覆冰是冬季的一種常見自然現象，我國淮河以南的大部分地區時常遭遇“凍雨”（低溫雨雪冰凍）災害，導致電力、能源、通信等工程領域面臨嚴重結/覆冰難題。2008年一場罕見“凍雨”橫掃南方10余省份，致使高壓輸電線路及塔架嚴重結/覆冰，甚至拉斷、倒塌（見圖1），造成大范圍斷電事故，直接經濟損失達上百億元 。此外，湖北、貴州等地的風電設備經凍雨覆冰后，發電量至少損失10%~20%，且葉片旋轉時易甩冰，存在重大安全隱患。不僅如此，鐵路機車測速雷達一旦覆冰，其透波性能銳減，迫使列車降級降速，對鐵路部門冬季繁重運輸作業而言簡直是雪上加霜。 因此，如何應對并減少表面覆冰已成為眾多工程領域面臨的嚴峻挑戰。

    國內外傳統除冰技術包括人工除冰法、機械除冰法、熱力融冰法、激光除冰法、電磁除冰法和超聲波除冰法等 ，且以人工除冰技術最為常用，但其效率低，費用高，作業危險，面對復雜地理環境只能“望冰興嘆”。而其他除冰、融冰技術也都是被動除冰，且以大量能耗為代價，均無法從根本上解決實際工程領域的覆冰難題。近十年來，研究人員開始從被動除冰走向“主動防冰”，尤其在仿生防結/覆冰涂層材料技術方面取得了重要進展，顯示出了良好的工程應用前景。

    自然界中許多動/植物，如荷葉、芋葉及羽毛等，具有神奇的自清潔特性。德國伯恩大學的Barholtt和Neinhuis通過觀察荷葉表面的微觀結構，發現在低表面能蠟成分與微-納米雙重結構（Micrometer-nanometer-scale binary structure，MNBS）的共同作用下，荷葉表面具有自潔凈性能（即“荷葉效應”）。受荷葉表面啟發，Onda 等人在1996年首次通過在粗糙表面上涂覆低表面能材料獲得了人工制備的超疏水表面，該涂層的水接觸角（Water contact angle，WCA）>150°，水滾動角（Water sliding angle，WSA）<10°，開拓了防覆冰涂層研制的新思路。而超疏水自清潔涂層也因具有低能耗、適用范圍廣、環境友好等優點，在航空、電力、通信、能源等領域防結/覆冰雪方面顯示出潛在的工程應用前景，引起了表面功能材料研究者的廣泛興趣，成為表面功能材料研究領域的前沿課題之一。

    超疏水涂層防結/覆冰的潛在作用包括3個方面：① 超疏水表面水珠容易在自然外力作用下滾落、滑落，從而大大減少凍結前的掛水量；② 抑制或者延緩冰晶在材料表面的形成；③ 降低冰晶與接觸界面的附著力。

    文中從“工程適用性”角度，綜述了國內外超疏水自清潔涂層的制備方法、工程耐候性能、結冰測試方法及其結冰行為機理等方面的研究進展，并介紹了超疏水涂層防結冰工程示范取得的初步成果，展望了其未來發展方向。

    1 超疏水自清潔涂層的制備方法

    固體表面潤濕性主要由表面能和表面微觀結構兩個因素決定。超疏水自清潔涂層的制備原理是將二者有機結合。

    1.1 典型多步法

    多步法制備超疏水表面，通常是指賦予低表面能疏水表面適當的粗糙結構；或先在親水性基材表面構筑微納米結構粗糙表面，再進行表面化學改性以降低表面能，且后者逐漸成為主流。

    刻蝕法作為多步法中最常用方法之一，是指利用等離子體聚合、光刻蝕和化學溶劑刻蝕等方法，在基材表面制得微細結構，再通過表面化學修飾獲得超疏水表面。Oner等在烴、硅氧烷和氟碳表面，用照相平板印刷及光刻蝕的方法制備出具有微米級柱狀陣列結構的硅表面，然后用硅烷偶聯劑進行疏水處理得到超疏水性表面；對表面粗糙立柱的大小、形狀和間隔進行研究，結果表明：二維立柱最大長度是32 μm，在20~140 μm時，接觸角不隨柱高而改變。Bico等 利用模板刻蝕法，在硅表面制備出具有微米級針狀、孔狀及條狀結構的粗糙表面，經氟化處理后表面WCA分別達到167°、131°及151°。除了上述低表面能氟硅表面，還可在親水性金屬表面刻蝕粗糙的微細形貌。周峰等 對鋁片進行陽極氧化刻蝕處理，生成納米針狀Al 2 O 3 平行納米森林結構，再用0.5%1H, 1H, 2H, 2H-perfluoro-octadecyltrichlorosilan含氟接枝改性的聚酰亞胺樹脂對其表面進行修飾，可獲得兼具超雙疏（疏油/水）性能的自清潔表面（見圖2），其油/水雙疏性較好，接觸角CA（Contact angle）>150°，具有良好的工程應用潛力。

    物理氣相沉積（Physical vapor deposition，PVD）和化學氣相沉積（Chemical vapor deposition，CVD）方法，也常用來制備超疏水表面，其原理為先在基體上沉積形成微-納米結構膜層，再進行表面活性劑改性。江雷等 研究了PVD制備的陣列碳納米管（ACNTs）的潤濕性，水與ACNTs膜表面的接觸角為（158°±1°），且經過氟硅烷修飾之后，表面WCA>160°。他們還在硅表面制備了各向同性的三維ACNTs，其表現出了較好的親疏二相性： 疏水時，其靜態接觸角>150°；親水時，靜態接觸角<30°。

    上述刻蝕法與氣相沉積法均能獲得性能優異的超疏水表面，但制備過程需在真空下進行，對基材和零部件尺寸及結構要求較高，難于實際工程應用。如何在大氣環境（非真空環境）下簡便制備超疏水表面，成為多步法發展趨勢之一。研究人員嘗試通過溶膠-凝膠法（Sol-gel），在大氣環境下控制表面構造、提高表面粗糙度，通過表面改性獲得超疏水表面。

    Tadanaga等利用溶膠-凝膠方法制得透明的氧化鋁薄膜，該薄膜經沸水浸泡、干燥、煅燒等工藝處理后可得到具有花瓣狀結構的粗糙表面（表面凹凸尺度20~50 nm），再經氟硅氧烷修飾后可得到透明的超疏水表面。Pu等通過控制各種硅前驅體在溶膠-凝膠過程中的水解和縮合反應，調節微觀結構，得到涂層的WCA最大可達165°。除溶膠-凝膠法外，Nakajima等在煅燒過程中利用造孔劑乙酰丙酮鋁的升華，在薄膜表面制備出尺度在30~100 nm范圍內的微結構，表面經氟硅烷處理后，可得到超疏水薄膜材料，WCA可達150°。張希等結合分子自組裝和電化學沉積方法，在金表面構造出對pH值敏感的超疏水性表面，當水滴pH 值變化時，所構造的表面可從超疏水狀態轉化為超親水狀態。

    上述方法不需在真空環境下進行亦可獲得性能優異的超疏水表面，但由于制備工藝仍較復雜，很大程度上限制了其實際工程應用推廣。

    1.2 一步法

    近年來，科研工作者通過系統的研究與探索，逐步發展了更具工程適用性及施工簡便性的“一步成膜法”（原位生成法、異相成核法、相分離法等），即在成膜過程中通過控制條件產生多相，形成微納米雙重織構表面粗糙度，從而獲得具有自清潔特性的表面。

    Mitsuyoshi等利用原位復合技術，將平均粒徑5 nm的硅、鈦氧化物、聚四氟乙烯、玻璃珠粒子，分散在全氟聚合物組分中，由于表面粗糙度和低表面能的共同作用，涂層表面具有超疏水性能。Shibuichi等 [23] 在烷基乙烯酮的二聚體（AKD）中混有少量二烷基酮（DAK），在玻璃片上溶化并在氮氣保護下冷卻至室溫。冷卻過程中DAK起到晶種作用，AKD以其為開始生長點，形成粗糙表面，與水的接觸角達到174°。

    Erbil等首次利用相分離原理、通過簡單固化工藝制備出超疏水表面，將聚丙烯在100 ℃溶解于初始濃度為20 mg/mL的對二甲苯/甲乙酮混合溶劑中（體積比為3∶2），然后放置于70 ℃真空爐中固化，獲得超疏水聚丙烯薄膜，其WCA>160°，只要混合溶劑不溶解基底材料，該方法可適用于多種基材。Xie等采用聚甲基丙烯酸甲酯和氟化聚氨酯，利用溶劑蒸發產生曲面張力和相分離的原理，在室溫大氣條件下一步鑄造出具有類似荷葉微納米結構的聚合物表面，涂層與水、油的CA分別為166°和140°，WSA僅2.0°~3.4°，具有優異的自清潔特性。

    Luo等選取聚四氟乙烯、聚苯硫醚等，利用一步噴涂法（傳統固化工藝），簡便構筑出化學組分梯度分布的涂層，使低表面能活性組分（-C?F 3 ）在表面富集，粘結相在基底-涂層界面富集，獲得了膜基結合力高且具有多孔MNBS織構的仿荷葉超疏水涂層（WCA=165°，WSA=3°~4°）（見圖3）。他們進一步研究了固化溫度、氣氛、冷卻工藝等條件對于構筑具有不同形狀、尺寸、方向的氟聚合物納米纖維、納米球/丘疹紋理及微-納米孔洞的影響機制，獲得了具有方向一致性“納米橋”及MNBS織構超疏水涂層（WCA達170°，WSA約0°~1°）。

    此外，研究人員通過一步噴涂法制備出對多種液體介質具有超疏性質的自清潔涂層 ，如在A4紙上噴涂氟化SiO 2 納米顆粒懸浮液制得對水以及多種有機液體具有超疏性質的半透明涂層 ，顯示出良好的自清潔特性。

    上述一步成膜法制備自清潔表面工藝較簡單，且樣件的基材、尺寸、形狀不受限制，顯示出良好的工程適用性；但聚合物基涂層表面微-納米雙重結構的均勻性、有序性及其可控構筑仍待深入研究，其于實際苛刻冰凍環境下的超疏水長期有效性也需進一步考察。

    2 超疏水自清潔涂層的工程應用性能

    超疏水自清潔涂層從實驗室走向防冰凍工程應用，必須面臨苛刻的工況（如外力擦刮、水油介質污染等）以及復雜的自然環境（高低溫交變、太陽光照射、酸雨、冰雪覆蓋等），涂層微觀結構、表面化學特性等均可能受到影響，導致其超疏水性能降低、甚至消失，進而影響其防結冰工程應用。近年來，研究人員逐步加強了自清潔涂層工程應用性能的研究，包括力學性能、化學介質穩定性、耐低溫性、耐太陽光老化性等。

    2.1 抗磨損性能

    針對實際工況中外力擦刮導致的涂層疏水性失效，Yang 等通過噴涂金屬烷基羧酸酯分散液在多種基材上制備超疏水涂層，當涂層被外力擦刮損壞后疏水性下降（WCA=100°），簡單二次噴涂后超疏水性即可恢復（WCA=160°，WSA=5°）。受自然界活體動植物自修復功能啟發，Wang等通過陽極氧化法制備出微納米雙重結構表面，而后在65 ℃抽真空條件下將低表面能液體全氟辛酸注入到納米孔隙中，該表面對多種液體具有超疏特性。當表面分子受到氧等離子體破壞后轉變為超親水，填充的低表面能分子能夠擴散到表面完成超疏水特性的修復。Tian等通過火焰灼燒硅酮玻璃膠獲得了膜基結合強度高且耐磨性能優異的超疏水涂層，經人踩踏100次后超疏水性能無變化；該涂層可大面積制備，簡單二次灼燒且不加任何材料即可再生出超疏水表面。

    進一步針對超疏水表面的抗磨損機理 ，Groten和Rühe 先在硅基材刻蝕微納米尺度粗糙度結構，而后浸涂單層含氟聚合物PFA獲得超疏水表面，并研究了磨損試驗后表面的疏水性，發現微納米雙重結構比單一納米結構更抗剪切力作用，兼具優異的超疏水性和抗機械磨損性能（見圖4）。Tang等通過一步噴涂法在多種基材上制備了聚氨酯（PU）/二硫化鉬（MoS 2 ）自清潔涂層（WCA=157°），經過球-盤式摩擦磨損試驗6 000次，涂層表面仍具有穩定的低摩擦因數（μ<0.5）。

    針對單純聚合物涂層成本較高、微納米結構易被破壞等問題，張慶華等將含氟無規聚合物鏈接枝于納米SiO 2 表面，獲得有機無機復合涂層（WCA=170.3°，WSA=2.7°）。不僅在一定程度上降低了成本，而且由于納米粒子強度高且聚合物和無機粒子間存在強的共價鍵結合，顯著提高了涂層的力學性能及減摩耐磨性。該復合涂層還具有一定的耐熱性、耐溶劑性能等，在防覆冰領域顯示出一定的應用前景。

    2.2 耐介質及耐候性能

    除了力學性能及抗磨損性能，自清潔涂層的耐化學介質腐蝕性以及耐候性能也日益受到關注。郭志光等在工程材料鋁、銅表面化學刻蝕后修飾PDMSVT獲得類似荷葉表面結構的超疏水表面，該表面在pH=0~14范圍內具有超疏水性，顯示出良好的耐酸堿性能。張招柱等在噴砂和未噴砂處理的銅表面沉積Ag而后氟化改性，獲得的表面也具有優異的超疏水性和耐介質性，進一步研究了其在3.5%NaCl溶液中的耐腐蝕性能，與裸基材相比，涂層表面腐蝕電位更高，腐蝕電流密度大大降低。

    “酸雨”腐蝕、高低溫沖擊、太陽光老化等是聚合物基自清潔涂層在實際工程中均要面臨的挑戰。PTFE/PPS系列自清潔涂層經“酸雨”加速試驗（5%H 2 SO 4 溶液中浸泡120 d，pH=0.3）后，表面水珠WCA由165°降至152°，可能與其微納米結構變化有關；而在60 ℃高能量紫外光輻照4 800 min（GB/T14522 ? 2008）后，涂層表面PTFE納米纖維被“光刻蝕”成納米球/納米丘疹結構（圖5（c）（d）），涂層的 WCA從165°降至156°，WSA從3°~4°增至90°）；相比之下，涂層分別經氙燈輻照及−50~260 ℃高低溫冷熱循環沖擊4 h后，其涂層表面微納米雙重結構（MNBS織構）無變化。

    總之，上述超疏水自清潔涂層抗磨損性能、耐酸堿介質性能以及長期耐候性能（耐紫外、氙燈老化等）都得到一定程度的改善，但其綜合工程應用性能仍待進一步提升，距離實際工程應用還有一段距離。

    3 超疏水涂層防結冰行為及機理

    3.1 結冰測試方法

    國內外關于超疏水涂層防結冰行為及機理的研究日益活躍，但由于模擬結冰測試手段較少、研究設備各不相同，很大程度上阻礙了超疏水涂層的實際防覆冰工程應用。

    （1） 防結冰性能測試。黃碩等借助高壓循環泵使家用冰柜內噴淋過冷水形成凍雨，在10~?5 ℃溫度范圍開展覆冰試驗，每噴淋10 s，停噴覆冰10 min，重復3 h后取出樣品，在室溫下稱量覆冰質量并計算厚度。由于覆冰會融化，測量結果存在一定誤差。Li等 [42] 將制得的超疏水鋁片和未處理的鋁基材放入−10~−6℃冰箱中進行結冰試驗，每100 s拍照記錄，跟蹤觀察其結冰狀態。郝鵬飛等利用低溫冷卻臺在（−8±1）℃、濕度為（20%±2%）條件下開展結冰試驗，并根據相機實時記錄的照片來判定水珠結冰時間。Alizadeh  和Tao 等則利用紅外測溫儀來探測水珠在−10、−20和−30 ℃且濕度<5%條件結冰過程中，不同樣片表面的溫度變化，發現水珠結冰時刻紅外測溫曲線會發生明顯的波動。上述方法能夠較準確表征材料表面的結冰行為及性能，但由于結冰環境與實際低溫、高濕凍雨環境相差較大，所得到的結果對于實際工程選材參考性不高。

    （2） 覆冰粘附力測試。S.A. Kulinich [46] 與S. Farhadi等 [47] 在風洞中于超疏水表面噴灑微小過冷水滴進行結冰試驗（圖6（a）（b）），試樣覆冰后固定于離心機的橫桿上，逐漸加快離心機的旋轉速度，直至冰層脫離試樣表面。根據公式（1）和（2）計算冰層與超疏水表面間的粘附強度：

    F = mw ² r （1）

        σ = F/S （2）

    其中，F為冰晶總附著力，N:m為覆冰質量，kg；w為臨界旋轉角速度，rad/s；r為旋轉半徑，m；σ為單位面積冰晶粘附強度，N/m 2 ；S為覆冰與基材接觸面積，m 2 。而Meuler 和王健君等人使不同材料表面在低溫下冷凍覆冰后，利用定制的冰粘附力測試裝置來測量覆冰脫落時的最大剪切力（圖6（c）），再根據冰層與固體表面的表觀接觸面積，計算出剪切強度作為冰粘附強度。

    上述兩種方法均能夠較客觀地反映冰層與基材表面的作用力，但風洞造價成本高，且濕度較難控制，冰晶粘附強度的測試環境與實際凍雨結冰環境也相差較大。

    （3） 自然結冰行為協同測試。自然凍雨環境十分復雜，溫度、濕度、風速、雨量等均會影響結冰過程。目前國內外針對凍雨的結冰測試方法較少，為了同時兼顧表面防結冰性能和覆冰粘附強度測試，重慶大學趙玉順等 在低溫低氣壓人工氣候室內進行覆冰試驗，提出一種表面過冷卻水滴捕獲率測量方法，即通過稱量涂層和裸樣片覆冰前后的質量差，求得其表面過冷卻水滴捕獲率；并使用簡易的覆冰盒開展覆冰試驗，覆冰后采用萬能力學試驗機測試超疏水涂層與覆冰間的粘附強度。該方法從過冷卻水滴捕獲率及覆冰粘接強度兩個特征參數來評價超疏水涂層的覆冰特性，有助于更好的理解超疏水涂層的防覆冰過程。然而，僅于室溫下測試冰層與樣品脫離時的宏觀粘附力，無法測得凍雨環境下結/融冰過程中的微觀力變化。

    羅荘竹課題組自主研制了“多因素低溫結冰環境模擬測試系統”，通過多系統功能集成，改變溫度、濕度、淋雨、噴霧、吹風、振動/擺動、傾斜角度等條件，模擬多因素凍雨環境，并匹配高速攝像系統（最高幀率達1 000 幀/秒），實時跟蹤記錄水珠/水汽結冰行為全過程。同時，通過智能儀表、傳感器的引入及軟件系統的集成，提出了一種利用電阻應變片傳感器于模擬凍雨結冰環境下“在線監測覆冰粘附力”的新方法 。該“協同在線監測”方法（見圖7），可初步實現多因素凍雨環境下對不同潤濕性表面水珠/水汽結冰、融/脫冰行為以及覆冰粘附力的全程動態跟蹤，并從結冰、融冰及脫冰全過程來綜合評估超疏水涂層的防結冰性能，對于復雜自然凍雨環境下不同表面防結冰行為及機理研究有一定的借鑒意義。

    3.2 防結冰行為及機理

    低溫凍雨環境下，過冷雨滴接觸固體表面即會迅速形核、結晶。超疏水涂層因具有低表面能組分和特殊的粗糙結構，大大減少了掛水量以及液滴與表面的接觸面積，其防結冰行為研究主要集中在結冰滯后（延長結冰時間）與疏冰/脫冰（降低冰的附著力）兩個方面。

    3.2.1 結冰滯后

    盡管現有的結冰測試方法各不相同，但國內外許多試驗結果均表明，超疏水涂層具有一定的結冰滯后功效。

    王法軍等 研究了基于1H，1H，2H，2H-Perfluorodecanethiol（PFDT） 改性Ag/PDMS復合材料的超疏水表面在低溫條件下的防結冰性能和自清潔性能。研究發現，超疏水表面經活性炭污染后，于−10 ℃低溫下仍然能夠帶走污染物而未發生結冰，相比之下，光滑的PFDT表面和未經改性的粗糙Ag/PDMS表面卻快速結冰。Li 等發現−10~ −6 ℃下超疏水表面0.045 mL水滴比鋁基材表面同等大小水滴晚結冰600~700 s。張慶華等考察了30%PTFE微粉填充氟代丙稀酸酯共聚物涂層以及納米SiO 2 表面引發接枝含氟無規聚合物涂層在−18 ℃條件下的結冰時間，分別為1 467 s和10 054 s，后者可能為已報道的超疏水涂層中結冰滯后時間最長的涂層。

    為了進一步揭示超疏水涂層引起結冰滯后的原因，胡建林等研究超疏水表面水滴運動與凍結過程，發現超疏水性涂層表面過冷卻水滴的運動特性受接觸角、接觸角滯后、表面缺陷等因素的影響。Jung等研究了水在親水到超疏水的14個界面上的結冰延遲現象，發現對于粗糙表面，隨著疏水性增加，結冰時間延長。但對于光滑表面，粗糙度越低，結冰滯后越久（見圖8）。因此需同時考慮潤濕性和粗糙度兩個因素的影響。

    對于粗糙度結構如何影響超疏水涂層表面水珠的結冰滯后行為，郝鵬飛等對比研究了水滴在光滑、微米結構和微-納米雙重結構表面結冰滯后的時間和結冰時長，發現降低表面粗糙度能夠增大冰晶形核所要克服的吉布斯自由能勢壘ΔG；但結冰時長卻和表面潤濕性成線性相關，具有微-納米雙重織構的超疏水表面結冰時長最長。Chen 等通過分子動力學模擬的方法也證明，當表面粗糙度尺度與冰晶特征長度相差較大時，形核率會大大降低，即使在高濕度環境下水分子易吸附在表面，也很難結冰。另一方面，一些研究人員則認為與超疏水性緊密相關的固-液接觸面積以及微納米織構中“空穴氣體”對于水珠結冰滯后有更重要的影響。Alizadeh  認為超疏水表面低的固-液接觸面積不僅降低了界面熱傳導，還大大降低了界面冰晶非均勻形核的機率（見圖9）。Tao 進一步證明超疏水微納米雙重織構中空穴氣體“氣墊”作用降低了固-液接觸面積，從而降低冰晶形核率；同時由于空穴氣體的隔熱作用，致使超疏水表面冰晶生長速率較低。

    3.2.2 疏冰與脫冰

    疏冰性是指減弱冰晶與材料表面附著力，達到容易脫冰的效果。眾所周知，超疏水表面水珠接觸角大、近似點接觸且易于滾落，因而在水珠結冰后具有降低冰附著力和易脫冰的潛力。上述S. Farhadi 在−10 ℃下的風洞中測得的冰粘附力結果也表明，與裸基材相比，超疏水表面與冰晶間的粘附力更小，更容易脫冰。而張慶華等也發現冰與氟代丙稀酸酯共聚物涂層表面間的附著力僅為其與裸基材表面的5.35%。

    表面潤濕性被認為是影響疏冰與脫冰特性的重要因素之一。Meuler等制備了21種光滑涂層來探討水的潤濕性與冰附著力的關系，發現冰的附著強度基本與（1+cosθ rec ）呈負線性關系（見圖10）。Kulinich等認為只有對于較低潤濕滯后的表面，冰的附著強度與表面接觸角θ之間的負線性關系才能成立。

    然而，一些研究人員則認為只有在結冰過程中超疏水狀態不發生改變時，材料表面才具有疏冰效果。Chan等對比了15 ℃下超親水、親水、疏水及超疏水表面結冰后的黏附力，發現織構化超疏水表面的冰黏附力反而比光滑親水及疏水表面大，原因可能是在冰與表面織構間發生了機械互鎖作用。Deng  利用環境掃描電鏡研究了超疏水涂層的凝霜性能，發現織構化的超疏水表面并未表現出防凝霜功效，且其表面凝霜后冰的粘附力反而高于光滑表面。盡管如此，由于材料組分、表面形貌以及附著力測定方法的差異，試驗數據與結論存在較大爭議、難于比較。

    另一方面，由于實際結冰環境不同，生成的冰晶種類、結構及其界面粘附強度也不同。目前，關于凍雨環境下冰晶與超疏水表面間粘附力大小及其變化過程的研究，仍處于初步探索階段。吳斌等通過“結冰粘附力在線監測”方法，獲得了模擬凍雨環境下整個覆冰過程中不同樣片表面的“應變片傳感電壓”曲線（見圖11），通過對比無覆冰鋁片、覆冰鋁片以及覆冰超疏水鋁片表面電壓變化斜率，并通過覆冰界面受力分析，得出冰與PTFE/PPS超疏水表面間剪切粘附強度不足其與裸鋁片間粘附強度的1/2。進一步試驗研究發現，凍雨淋雨過程中，超疏水表面懸掛冰溜比裸鋼表面環形冰柱提前脫冰約1 min；而在吹風（0.05MPa、風速7 m/s）及振動（振幅3 mm、頻率7.5 Hz）協同干擾條件下，超疏水表面冰溜比裸鋼基材環形冰柱提前脫冰156 s，表明凍雨環境下超疏水表面具有一定的疏冰/脫冰功效。

    總的來說，超疏水自清潔涂層能否真正降低冰粘附力仍然存在很大爭議，超疏水表面是否具有疏冰與易脫冰特性至今仍無定論，亟待深入系統研究冰的附著力與水潤濕性之間的定性及定量關系。

    4 防結冰工程應用示范進展

    超疏水自清潔涂層具有潛在的工程防結冰應用前景，但目前大多數研究仍處于實驗室理論研究階段，其實際工程應用示范才剛剛起步。重慶大學蔣興良課題組分別在人工氣候室和自然環境中考察了PDMS/納米二氧化硅雜化超疏水涂層改性絕緣子的防結冰性能。通過分析覆冰形貌、重量以及覆冰閃絡電壓等，證明涂覆超疏水涂層的絕緣子在覆冰過程中具有較高的絕緣強度，過冷卻水滴持續或長時間的沖刷以及覆冰粘結不會破壞涂層的超疏水特性（見圖12）。

    羅荘竹課題組近5年來利用“結冰環境模擬測試系統”初步考察了PTFE/PPS超疏水涂層改性鋼管（模擬輸電導線）、玻璃絕緣子于“模擬凍雨”環境下的結冰/脫冰行為。從掛冰位置、數量、面積、冰柱附著力、脫冰時間等綜合對比，發現超疏水涂層改性鋼管表面掛冰率減小約50%以上（見圖13）。

    此外，為解決鐵路機車測速雷達低溫水汽覆冰難題，在東北高鐵線路開展了疏水/超疏水涂層改性臺架樣品的覆冰及脫冰試車考核，初步結果表明：超疏水涂層改性鋼板表面覆冰后，能夠整體在人工條件下輕易脫附（見圖14），與裸基材相比其冰瘤/冰塊脫附能力大大提升。上述工程應用示范/試驗結果表明：超疏水自清潔涂層在工程防結冰及易脫冰方面顯示出良好的應用前景，但亟待建立相關的定量評價標準體系。

    5 總結與展望

    截至目前，超疏水自清潔涂層在制備方法、工程應用性能以及防結冰應用研究方面均取得了許多重要成果。由于典型“多步法”工藝相對復雜、成本較高，逐漸發展的“一步法”顯示出良好的工程應用優勢。超疏水涂層的力學性能及耐擦刮性能得到改善，一旦表面微觀結構被破壞、通過簡單修復即可恢復其超疏水性能。不僅如此，涂層的耐介質腐蝕性以及耐候性能也逐漸引起研究者們的關注及重視。盡管目前國內外結冰測試方法各不相同、尚無統一標準，但超疏水涂層在結冰滯后以及疏冰與脫冰方面都顯示出一定的潛力，而工程應用示范試驗結果也初步顯示出其超疏水表面具有良好的防結冰與易脫冰功效。

    未來如何通過一步成膜法制備出結構有序、均勻的微納米織構超疏水表面是超疏水涂層制備面臨的挑戰性課題之一。聚合物基超疏水自清潔涂層的綜合工程應用性能，尤其是超疏水長期有效性及耐候性能仍待提升。在防結冰行為及機理方面，需在更接近實際結冰環境工況下系統開展模擬試驗研究，而建立并發展“結冰行為與冰晶粘附力協同在線測試”方法將成為新趨勢。

    總之，微觀結構有序度與超疏水穩定性將成為影響超疏水自清潔表面實際防結冰應用的關鍵因素，而揭示表面組分及結構、超疏水性與防結冰性能三者之間的內在關系規律，已經變得日益迫切，將為具有工程適用性的超疏水防結冰涂層的設計與調控提供理論基礎與技術支持。

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責任編輯：王元

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