由于過冷水滴的影響，飛機外表面的積冰會對氣動性能產生不良的影響，降低飛機的作戰能力，所以必須加以阻止。防冰涂層能夠降低冰對表面的粘附強度，是一種有前途的技術。疏冰性在許多方面與疏水性相似，超疏水表面是解決冰附著問題的直接方法。短/超短脈沖激光表面處理技術是一種金屬表面超疏水性可行的處理技術。然而，在典型的結冰條件下，這些表面是否具有普遍的防冰性，目前還沒有得到證實。

近日，來自德國德累斯頓技術大學&空客研究與技術中心的一項研究表明，通過對Ti6Al4V這種常見的航空航天部件的合金的研究，可定義出一套超疏水表面的設計規則，這些超疏水表面也具有疏冰性。相關論文以題為“Design Rules for Laser‐Treated Icephobic Metallic Surfaces forAeronautic Applications”于2月24日發表在Advanced Functional Materials上。

論文連接： https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.201910268

結冰是航空業關注的一個重要問題，因為結冰會影響和限制飛機的飛行。安裝防冰系統(IPS)可使飛機在結冰條件下安全飛行。但此類方法仍具有局限性，而表面功能化是制造疏冰表面的一個很有前途的策略，其目的是延緩冰的吸積和/或減少冰的粘附，從而減少IPS所需的電能或熱能。

在過去的二十年里，前人研究中提出了幾種制造疏冰表面的方法。例如，表明拋光、涂層等等。但這些方法都不具有廣泛適用性，另一種方法是制造類似于荷葉效應的超疏水表面。眾多可用于在表面生成荷葉狀結構的方法中，短/超短(S/US)激光脈沖現在較為常用。這類技術在工業應用方面的規模已經在若干案例中得到證明。之前研究公布，Ti6Al4V (Ti64)與2024鋁合金(AA2024)相比，為激光產生的特征提供了一個健壯的基板，因為這些特征在Ti64上提供了對Cassie-Baxter狀態的支持，在經過16次覆冰/除冰循環后仍然保持不變。目前還沒有解決哪種微觀結構(以及哪種激光技術)可以產生超疏水表面的這個問題，這種表面在飛機運行過程中遇到的大氣結冰條件下也顯示出疏冰性能。

為了彌補這一缺口，本研究對沖擊冰(即沖擊冰)的粘附強度進行了研究。使用三種不同的激光技術：直接激光處理(DLW)，直接激光干涉模式(DLIP)和激光誘導周期表面結構(LIPSS)，脈沖持續時間范圍從數百納秒到數百飛秒，并結合化學功能化。研究了四種典型的飛行結冰條件下，在覆冰風洞試驗中所產生的冰對表面結構的附著強度。發現疏冰性依賴于結構的空間周期Λ并且它必須至少要比MVD(體積中徑)小一個數量級。這樣，Cassie Baxter的非潤濕狀態可以被保留，被處理的表面可以表現出疏冰特性。較低的冰表面接觸面積和由氣穴引起的應力集中可以解釋這種表面上的改善的疏冰性能。

一旦從Cassie Baxter狀態過渡到Wenzel狀態，結構的深度直接影響冰與表面的機械連鎖。影響表面響應的因素有兩個相反的方面，即與機械聯鎖相比，應力集中和較低的表面接觸面積。采用DLIP工藝制備的分級微/納米結構在激光加工表面的冰粘附行為最低。此外，結冰條件(即，凍結分數)對所考慮的超疏水表面的有效性有影響。特別是，液滴在較高的凍結分數下凍結得更快，從而降低了被加工表面有效排斥液滴的能力，而液滴仍然是液體。另一方面，在低冰點時，液態水在結冰前可以在一定程度上填滿表層結構，從而增加冰表面的機械連鎖。在不太嚴重的中間條件下，表面能夠更有效地排斥過冷水滴。

圖1 相關激光方法處理后樣品表面的SEM

圖2 激光處理樣品在a)白冰、b)混合/白冰、c)混合/釉、d)釉冰條件下的界面剪切應力。

圖3 相關的SEM圖像

圖4 激光處理樣品的界面剪切應力分別與Λ和Rz的關系圖；

圖5 激光處理樣品的界面剪切應力隨參數的變化

圖6 在室溫下，水滴撞擊DLIP 1處理后的表面有關圖像。

進一步的研究需要了解不同的結冰參數對冰附著的影響，并評估這些表面在工作環境中的兼容性和強健性(即抗紫外線，與其他液體的相互作用，如液壓和防結冰)。此外，描述液滴撞擊結構表面的碰撞動力學和潤濕狀態的模型并不適用于本研究。這很可能是由于模型考慮的參數數量有限，其中液滴的大小和/或表面結構的大小似乎起著關鍵作用。考慮更多的參數可以擴展現有模型的有效性。