由于過(guò)冷水滴的影響，飛機(jī)外表面的積冰會(huì)對(duì)氣動(dòng)性能產(chǎn)生不良的影響，降低飛機(jī)的作戰(zhàn)能力，所以必須加以阻止。防冰涂層能夠降低冰對(duì)表面的粘附強(qiáng)度，是一種有前途的技術(shù)。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(wèn)題的直接方法。短/超短脈沖激光表面處理技術(shù)是一種金屬表面超疏水性可行的處理技術(shù)。然而，在典型的結(jié)冰條件下，這些表面是否具有普遍的防冰性，目前還沒(méi)有得到證實(shí)。

近日，來(lái)自德國(guó)德累斯頓技術(shù)大學(xué)&空客研究與技術(shù)中心的一項(xiàng)研究表明，通過(guò)對(duì)Ti6Al4V這種常見(jiàn)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(shè)計(jì)規(guī)則，這些超疏水表面也具有疏冰性。相關(guān)論文以題為“Design Rules for Laser‐Treated Icephobic Metallic Surfaces forAeronautic Applications”于2月24日發(fā)表在Advanced Functional Materials上。

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

結(jié)冰是航空業(yè)關(guān)注的一個(gè)重要問(wèn)題，因?yàn)榻Y(jié)冰會(huì)影響和限制飛機(jī)的飛行。安裝防冰系統(tǒng)(IPS)可使飛機(jī)在結(jié)冰條件下安全飛行。但此類(lèi)方法仍具有局限性，而表面功能化是制造疏冰表面的一個(gè)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I(mǎi)PS所需的電能或熱能。

在過(guò)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(lèi)似于荷葉效應(yīng)的超疏水表面。眾多可用于在表面生成荷葉狀結(jié)構(gòu)的方法中，短/超短(S/US)激光脈沖現(xiàn)在較為常用。這類(lèi)技術(shù)在工業(yè)應(yīng)用方面的規(guī)模已經(jīng)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(chǎn)生的特征提供了一個(gè)健壯的基板，因?yàn)檫@些特征在Ti64上提供了對(duì)Cassie-Baxter狀態(tài)的支持，在經(jīng)過(guò)16次覆冰/除冰循環(huán)后仍然保持不變。目前還沒(méi)有解決哪種微觀結(jié)構(gòu)(以及哪種激光技術(shù))可以產(chǎn)生超疏水表面的這個(gè)問(wèn)題，這種表面在飛機(jī)運(yùn)行過(guò)程中遇到的大氣結(jié)冰條件下也顯示出疏冰性能。

為了彌補(bǔ)這一缺口，本研究對(duì)沖擊冰(即沖擊冰)的粘附強(qiáng)度進(jìn)行了研究。使用三種不同的激光技術(shù)：直接激光處理(DLW)，直接激光干涉模式(DLIP)和激光誘導(dǎo)周期表面結(jié)構(gòu)(LIPSS)，脈沖持續(xù)時(shí)間范圍從數(shù)百納秒到數(shù)百飛秒，并結(jié)合化學(xué)功能化。研究了四種典型的飛行結(jié)冰條件下，在覆冰風(fēng)洞試驗(yàn)中所產(chǎn)生的冰對(duì)表面結(jié)構(gòu)的附著強(qiáng)度。發(fā)現(xiàn)疏冰性依賴(lài)于結(jié)構(gòu)的空間周期Λ并且它必須至少要比MVD(體積中徑)小一個(gè)數(shù)量級(jí)。這樣，Cassie Baxter的非潤(rùn)濕狀態(tài)可以被保留，被處理的表面可以表現(xiàn)出疏冰特性。較低的冰表面接觸面積和由氣穴引起的應(yīng)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(tài)過(guò)渡到Wenzel狀態(tài)，結(jié)構(gòu)的深度直接影響冰與表面的機(jī)械連鎖。影響表面響應(yīng)的因素有兩個(gè)相反的方面，即與機(jī)械聯(lián)鎖相比，應(yīng)力集中和較低的表面接觸面積。采用DLIP工藝制備的分級(jí)微/納米結(jié)構(gòu)在激光加工表面的冰粘附行為最低。此外，結(jié)冰條件(即，凍結(jié)分?jǐn)?shù))對(duì)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(jié)分?jǐn)?shù)下凍結(jié)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(diǎn)時(shí)，液態(tài)水在結(jié)冰前可以在一定程度上填滿表層結(jié)構(gòu)，從而增加冰表面的機(jī)械連鎖。在不太嚴(yán)重的中間條件下，表面能夠更有效地排斥過(guò)冷水滴。

圖1 相關(guān)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(yīng)力。

圖3 相關(guān)的SEM圖像

圖4 激光處理樣品的界面剪切應(yīng)力分別與Λ和Rz的關(guān)系圖；

圖5 激光處理樣品的界面剪切應(yīng)力隨參數(shù)的變化

圖6 在室溫下，水滴撞擊DLIP 1處理后的表面有關(guān)圖像。

進(jìn)一步的研究需要了解不同的結(jié)冰參數(shù)對(duì)冰附著的影響，并評(píng)估這些表面在工作環(huán)境中的兼容性和強(qiáng)健性(即抗紫外線，與其他液體的相互作用，如液壓和防結(jié)冰)。此外，描述液滴撞擊結(jié)構(gòu)表面的碰撞動(dòng)力學(xué)和潤(rùn)濕狀態(tài)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(shù)數(shù)量有限，其中液滴的大小和/或表面結(jié)構(gòu)的大小似乎起著關(guān)鍵作用?？紤]更多的參數(shù)可以擴(kuò)展現(xiàn)有模型的有效性。