飞机防冰_从传统到仿生的发展_王冠

241第02期葛芳芳等：汞污染土壤修复概述飞机防冰——从传统到仿生的发展王冠，张德远，陈华伟(北京航空航天大学仿生与微纳生物制造技术研究中心，北京，100191)摘要：飞机结冰是影响飞机飞行安全的突出问题，如何解决成为研究的热点和难点。阐释了飞机的结冰机理及影响冰型的主要因素，系统的了目前飞机所使用的传统的防除冰技术，以及新出现的利用超疏水材料防冰等“仿生”防冰技术。重点介绍了仿生防冰的原理、制造方法和研究现状，最后综合的分析了两大类技术的利弊，为以后解决飞机防冰问题提供了一定的思路和方向。关键词：飞机结冰；防冰；除冰；超疏水；仿生中图分类号：V321.229文献标识码：A文章编号：2095-8412(2014)02-241-10TheDevelopmentofAircraftAnti-icing--fromTraditionaltoBionicGuanWang,DeyuanZhang,HuaweiChen(BionicsandBiologicMicro/nano-bio-manufacturingResearchCenter,BeihangUniversity,Beijing,100191)Abstract:Aircrafticingisaoutstandingfactorthataffectflightsafety.Howtosolvethisproblemisdifficult,whichalsobecomearesearchhotspotrecently.Themechanismoficingandthefactorsaffectingtheicingairfoilgeometryareanalyzed.Thecurrentconventionaltechnologyusedinanti-icingorde-icingofaircraft,andthenew“bionic”methodswhichusingsuchassuperhydrophobicmaterialstopreventaircrafticingarealsobesystematicallysummarized.Focusingontheprinciple,manufactureandresearchstatusof“bionic”anti-icing,acomprehensiveconclusionsoftheadvantagesanddisadvantagesaboutthetwokindsoftechnologyisdrawnastoprovidingideasanddirectionsforsolvingaircraftde-icing.Keywords:Aircrafticing;Anti-icing;De-icing;Superhydrophobic;Bionic1引言结冰是自然界的正常现象，在温度低于0℃的环境下，液相的水会自然释放热量而产生结冰现象。结冰现象对于人类的生产生活具有有利的一面，冬天的冰雪能冻死躲藏于地面的害虫，为来年的作物种植提供良好的土壤环境；经过人工修饰的冰能制作成各种具有艺术气息的冰雕，深受人们喜爱等。目前来说，除了少数情况下，人们经受的更多是结冰带来的各类危害。比如汽车在冬天低温湿冷环境下行驶时，车窗玻璃易结霜结冰，给驾驶员带来了视觉上的不便，极大的增加了发生交通事故的隐患；大型风场的风力发电机叶片结冰，会导致风力机叶片的翼型发生变化，显著影响风力机的空气动力性能，使其出现故障甚至事故而不能正常工作[1]；架于空中电线电缆一旦结冰，短时间内其重量会迅速增加，造成线路和支撑基站的过度负载，严重时可能导致电线电缆断裂、基站垮塌等。如2008年席卷中国南方的冰雪灾害，因线路覆冰曾使湖南电网500kV线路中,倒塔182基，变形75基，导线断线或受损159处等重大损失，这还未包括低于500kV线路的破损情况[2]。对于安全系数要求更高的飞机来说，由于常在云层中飞行或穿越，因而即使不是处于常冰冻的冬季也会经常在空中碰到低温、高湿度的过冷环境，结冰现象对其的危害也最为直接和明显。据资料统计，由于结冰而导致空难事故的概率超过了15%[3]。各类因结冰而造成的飞行事故也屡屡见报：1993年3月5日，由工业技术创新第01卷第02期2014年6月IndustrialTechnologyInnovationVol.01No.02Jun.2014DOI:10.14103/j.issn.2095-8412.2014.02.009242于起飞前空气温度较低，湿度较大，且并未进行地面除冰处理，马其顿航空公司一架福克100飞机，起飞后爬升到1200英尺时由于机翼结冰出现失速，飞机迅速倾斜坠地，造成81人死亡的惨剧[3]。2006年6月3日，我国空军一架军用运输机执行任务中，在安徽某地失事坠毁，机上40人全部遇难，后经查证造成这起事故的直接原因是由于曾多次穿越结冰区域，飞机空中结冰而失控坠毁[4]。由此可见飞机结冰对于飞行安全有着致命威胁，而结冰也已被航空界认定为影响飞机飞行的6大气象因素之一[5]。2飞机结冰现象分析2.1飞机结冰机理与影响因素飞机的结冰主要与三大因素有关：一是飞机的外形形状(如机翼前缘的几何形状对飞机结冰影响较大)；二是飞机的飞行状态，如飞行姿态、飞行高度、飞行速度等；三是飞行气象条件，如过冷水含量、过冷水滴直径、云层的形状和形式、云层温度等。当飞机在含有过冷水滴(过冷水滴是非常不稳定的，稍受震动，即能冻结成冰的水滴)的云层中飞行时，如果机体表面温度低于0℃，过冷水滴一旦粘附到机体表面就会迅速释放热量聚积成冰。若过冷水滴温度接近0℃，结冰呈现“冻结～蒸发～再冻结”的过程；若过冷水滴较小，温度接近-20℃时，则会直接成冰。除过冷水滴与机体表面温度影响之外，当飞行速度处于亚音速左右或以下，大气温度在0℃到-20℃(见图1)，飞行高度在3000～7000米[7,8]的时候，飞机更容易结冰。因而对于大飞机、大型军事运输机等具有大推力、大起飞总重、亚音速、强生存力(全天候飞行)等机型[9]，结冰一直是影响其安全的突出隐患。同时，空中云层的形状和形式等气象条件也是影响结冰的关键因素。积云和积雨云通常会造成飞机强结冰，且最强的积冰多见于将要发展成积雨云的高大浓积云的上半部和积雨云成熟阶段的上升气流区；层云和层积云（或高积云）中的结冰通常会形成弱积冰或中积冰，且云上部结冰通常为弱积冰，积冰强度会随高度减弱。2.2飞机积冰的形式根据结冰条件的不同，飞机结冰的形成的积冰形式可以分为明冰(图2a)、毛冰、雾凇(图2b)、霜四类。在0～-10℃的过冷雨中或大水滴组成的云层中，一般会形成光滑透明、结构坚实的明冰；温度为-5～-15℃的时候，飞机机体上常出现表面粗糙不平，冻结得比较坚固，像白瓷一样的毛冰；不透明，表面粗糙的雾凇则一般多形成在温度为-20℃左右的云中；而霜一般是飞机由低于0℃的区域进入较暖的区域形成的。对于飞行来说，明冰和毛冰一般是影响飞机安全最重要的积冰形式。图1温度和飞行速度与结冰关系图图2飞机的积冰形式：a.明冰，b.雾凇2.3飞机结冰强度飞机的结冰强度是衡量结冰对飞行安全危害的量度，通常用结冰速率(冰在飞机部件表面形成的速度)来表示[7]。根据结冰速率划分结冰强度为四个等级，分别为弱结冰(trace)、轻度结冰(light)、中度结冰(moderate)和强结冰(severe)。各不同结冰强度所对应的结冰速率见表l。结冰强度尚不能完全表达飞机结冰的严重程度，假若飞机处于强结冰条件下的时间很短，那么表面上结的冰量就不会很多；相反，假若飞机处于弱结冰条第02期工业技术创新IndustrialTechnologyInnovation243表1以结冰速率划分的结冰强度�件下的时间很长，飞机上也可以结成很厚的冰层。为了正确表征结冰实际情况，因而又引用了结冰程度这一概念。所谓结冰程度，是指飞机在结冰条件下飞行的整个时间内，表面上所结冰层的最大厚度。结冰程度的划分情况见表2。表2结冰程度等级�2.4飞机结冰部位据统计，飞机结冰主要结冰部位常位于：机翼和水平尾翼、垂直尾翼前缘、发动机进气道唇口、进气部件(导向叶片、支撑等)、螺旋桨桨叶、整流帽罩、风挡、舱盖等透明表面以及空速管、攻角、温度传感器等大气数据探测装置的表面[6]等(见图3)，这些部位与过冷水滴相遇时一般便会首当其冲，因此结冰的几率较大，也较常见。�图3飞机结冰部位示意图3飞机结冰危害飞机结冰是一种非常严重的危险情况，它会严重破坏飞机的空气动力性能，如机翼和尾翼积冰，会使升力系数下降，阻力系数增加，并可引起飞机抖动，使操纵发生困难；也会降低动力装置效率，甚至产生故障，比如螺旋浆飞机的桨叶积冰，会减少拉力，使飞机推力减小；同时，脱落的冰块还可能打坏飞机的运动部件或机体其他结构；通常结冰还会影响飞机的仪表和通讯设备，损坏甚至使之失灵[8]等。2008年法国A330客机的空难，经调查原因就是由于结冰堵塞了飞机动静压传感器而使其失灵造成的[2]。由此可见，飞机结冰对于飞行安全来说，确实存在着巨大的不确定性而又一旦出现则影响和损失都非常之大的隐患。4传统的飞机防冰除冰技术鉴于飞机结冰会一般会导致严重的后果，世界各国航空公司和科研机构都致力于开发了各类防冰除冰技术或系统。而所谓飞机的“防冰与除冰”概念，就工作性质来说，防冰一般是通过机体表面材料的特性或者结构的设计使过冷水滴在飞机表面难以结冰，是具有“防止水滴结成冰”这一相对主动性；除冰则是在飞机表面已经结冰后再用办法使冰脱落或除去，是一种相对“被动”的应对飞机结冰的方式。按照工作方式的不同，又可以将目前传统的飞机除冰防冰方式细分为机械除冰、液体防冰、热力防冰三类技术[7]。其中，机械除冰技术又可分为气动带除冰和电脉冲除冰技术；热力防冰技术分别按热源和加热方式又分别分为电热防冰、气热防冰技术，以及连续防冰和间断除冰技术。总的概括如下图4所示。????????机械除冰液体除冰热力除冰气动带除冰电脉冲除冰电热防冰气热防冰按热源按加热连续防冰间断防冰蒸发防冰流湿防冰周期除冰非周期除冰图4飞机常规的防冰、除冰方式第02期王冠等：飞机防冰——从传统到仿生的发展2441)机械除冰技术：机械除冰即是使用机械的办法除去飞机表面的积冰。早期的方法就是在防冰表面放置许多胶管[9]，当表面结冰时，胶管充气膨胀，使冰破碎，然后利用气流把冰吹除（即气动带除冰技术）。目前在飞机上应用的最多的机械除冰系统就是气动除冰系统[3]，它的优点是工作可靠、节省能量，但存在一个致命的弱点，即阻力大，因此不适于高速飞行的飞机，故常用于低速飞机机翼、尾翼前缘处。而且气动除冰不可能彻底，往往会有一些残冰，也会增加飞机的阻力，使其缺点更为明显。除交替膨胀胶管外，还可用脉冲激励振动方法除冰（即电脉冲除冰技术），如用超声波使蒙皮高频振动除冰等。2)液体防冰技术：液体防冰其原理是将冰点很低的液体喷洒在结冰部位，使其与过冷水混合后冰点低于飞机表面温度或原过冷水滴的结冰点而阻止结冰。可用作防冰液的有乙烯乙二醇，异丙醇，乙醇等。使用液体防冰技术时，其优点在于不会在部件的防冰表面之后形成冰瘤，而且停止供液后，还具有短时间的防冰作用。该技术多用于风挡、雷达罩、尾翼前缘外表面等部位[7]。但因防冻液耐久性较差，对基材表面会产生一定的腐蚀[10]，且消耗量也一般较大，会使系统重量增加，维护较为麻烦，因此现已相对较少采用[8]。3)电热防冰技术：电热防冰系统是通过电阻升温防止表面结冰，最常见的是风挡、螺旋桨、空速管电热防冰。电防冰的加热方式有连续加热和间断加热两种方式。对表面不允许结冰或加热耗电功率较小的部件(如风挡、空速管等)，常用连续加热的方式；对表面允许少量结冰或加热耗电功率较大的部件(如机翼、尾翼等)，常用周期加热的方式[8]。电热防冰由于动力损失小，加热均匀，被广泛采用在现代大型民航客机上[9]。4)气热防冰技术：气热防冰是利用热空气加热飞机部件的待防护表面。通过热气的加热，使防护表面的温度达到过冷水滴的蒸发温度，从而避免过冷水滴在机体表面冻结结冰[11]。防冰热空气多从发动机压气机引气，也可从辅助发动机APU引气，有的飞机则由废气加热器或燃烧加热器产生[3]。气热防冰系统使用维护简单，工作可靠，但热量利用率较低。5）蒸发防冰与流湿防冰技术：蒸发防冰技术与流湿防冰技术又分别称为“干防冰”与“湿防冰”技术。按照热力防冰系统对部件防冰表面连续加热时，能否将飞机机表面收集的水分全部蒸发来区分[7]。从应用情况总括来说，始于20世纪三、四十年代的气动带除冰和液体防冰技术曾在飞机上有较多的应用，但因膨胀管充气时对飞机空气动力学的影响较大，目前已使用相对不多。而电脉冲除冰技术兴起于20世纪60年代末，由于系统具有重量较轻、耗电功率小、除冰效果良好等特点，不少飞机上现在依然使用该技术。不过，当前飞机上使用最为广泛的却是热力防冰技术，是现代飞机防冰与除冰技术发展的主流。5仿生飞机防冰技术传统的应对飞机结冰的三大防除冰技术虽然在一定程度上解决了飞机积冰的难题，得到了相对广泛应用和发展，但是其弊端也是非常突出和显而易见的。譬如液体防冰虽然作为一种相对主动的方式，即在结冰的先期就通过降低冰点的方式阻止过冷水滴在飞机表面结冰，但实践证明持久效果不是很明显，而且每次飞行起飞前都需要喷洒防冰液，不仅耗费人力、时间，更消耗着大量防冰液，若所采用的防冻液不绿色环保，还很可能对大气环境造成污染；电热防冰等技术通过电阻等发热来防冰需要消耗大量能量，会给飞机造成额外的能量消耗负担等。而作为相对“被动和滞后”的机械除冰等除冰方式，是“机械的”等待结冰了之后再使用办法除冰，其设计理念就相对落后，因为一旦已结冰，积冰就能对飞机的空气动力学等产生影响，如果除冰不及时，就会有导致空难的可能，而且现行的除冰技术也往往难以除冰干净，该类除冰方法目前也是通过其他耗能（耗电、耗热等）技术手段实现，并不节能、安全、可靠。因此，区别于传统的，难以适应现代飞机安全需求的防止飞机结冰的技术，且借鉴“防冰”这一较为先进、对于飞机安全保证更为可靠的理念，目前科研机构广泛深入研究的是用什么办法（如新材料、新设计等）能够既节能环保、又持久可靠的让飞机“主动防冰”，即让飞机即使穿越富含过冷水滴、云层温度低、湿度大等易结冰的恶劣环境下，飞机各个重要部位不结冰或者结冰程度非常低，来从结冰的源头上较大缓解或阻止冰在机体表面的形成，从而达到提高飞机的抗冰冻能力，进而提高其安全度。得益于仿生学的流行，现阶段科研人员通过发现、分析自然界一些生物奇特的超疏水或防冰冻的现象和机理，在“仿生防冰”寻找到了新的、可观的第02期工业技术创新IndustrialTechnologyInnovation245突破。“仿生”并不是一个陌生的词汇，美国的J.E.Steele教授在1960年就曾提出了这一概念。生物具有的功能迄今比任何人工制造的都优越得多，仿生就是要在工程上实现有效的分析、学习、制作以及应用所希望得到的某种生物特有的功能。仿生科学在国外发展的非常早和成熟，国内在近些年发展也较为迅速。如吉林大学的任露泉院士等通过模仿土壤动物蜣螂研制出具有减粘降阻功能的仿生犁壁，该犁壁能有效降低犁耕压力，减少油耗，并具有较好的脱土性和耐磨性[12]；北京航空航天大学张德远教授团队通过模仿复制游行速度极快的鲨鱼的表皮结构[13]，成功制成减阻效率最高达8.25%仿鲨鱼减阻表面蒙皮(图5)等。图5仿鲨鱼蒙皮整体及局部表面形貌光学照片研究和实践证明，通过向自然界的神奇现象的学习、了解，往往能够得到开启新的思路，且前途非常广泛，具有良好的可研究性。5.1飞机防冰与超疏水表面的联系正是基于从仿生的角度深入学习研究，飞机防冰技术突破以往的瓶颈，在仿生学中得到了新的重要进展。按上文分析飞机结冰的机理的可知，结冰主要是过冷水滴碰到低温的的飞机机体表面释放能量后结晶而造成积冰。假若过冷水滴从开始就不能在低温的机体表面上粘附，那么它就无法与机体表面进行热传导，也无法自结晶成冰滴，更不能和周围的冰滴再结晶生长成冰块。因此，如果能制造一种表面能低的不粘水滴（即超疏水）的飞机表面是防冰最直观、直接和有效的途径。而自然界有很多类似的超疏水的现象。最典型的就是著名的“荷叶效应”：当荷叶表面沾有水滴的时候，水滴总是聚成球状，迅速的从荷叶表面滚落而不是粘附在上面。德国波恩大学的WBaahlott和CNeinhuis教授系统研究了荷叶表面的这种奇特的超级疏水性能时，发现荷叶表层生长着纳米级的蜡质，这使荷叶表面具有非常低的表面能，同时荷叶表面的微米级别的乳突形成了微观粗糙表面(图6a)，他们认为正是蜡质提供的低表面能和微观尺度上的粗糙结构赋予了荷叶疏水自洁的奇特效果[14-16]。而北京航空航天大学的江雷院士团队通过进一步研究发现，荷叶表面的微米级乳突(平均直径5～9um)上还存在纳米结构(124.3±3.2nm)（图6b)。这种微米结构与纳米结构相结合的阶层结构被证明是荷叶产生超疏水效应的最终原因[17]。图6荷叶表面微观结构。a为W.Barthlott,C.Neinhuis观测的荷叶表面微米级的乳突结构；b为江雷等进一步发现单个乳突上面存在纳米结构。除了荷叶外，自然界还有存在多种生物具有同样的超疏水功能，如蝴蝶的翅膀、蚊子的复眼、水黾的腿部等等。5.2超疏水模型与浸润性机理分析根据超自然界存在的对水的非浸润性现象，制造并利用超疏水材料来防冰被普遍认为是一个非常理想的途径。要利用这种功能来防冰，则首先需要分析、了解超疏水现象的内在机理。物体的超疏水性与表面的浸润性有关，浸润性也是固体表面最重要的基本属性之一。通常以接触角来表示液体对固体的浸润程度。在理想光滑的表面上，液滴与表面之间的接触角主要由固体表面的自由能决定，是固-液-气三相接触线三种不同张力共同作用的结果。接触角即是固-液交界处与气-液交界处两者切线之间的夹角值θ(如图7a)。其大小满足杨氏方程[18]:（1）其中：γSV、γSL、γLV分别为固-气、固-液、液-气界面张力，θ即为理想光滑表面上的接触角。由（1）式可知，当给定液体时，那么γLV也即是第02期王冠等：飞机防冰——从传统到仿生的发展246图7a为接触角示意图，b为前接触角θa、后接触角θr、滚动角α示意图，c为Wenzel模型，d为Cassie-Baxter模型。确定的常数，则接触角θ与γSV及γSL的差值成负相关，即后两者差值越小，接触角越大。然而，现实并不存在方程条件中的绝对光滑理想表面，任何材料表面往往具有一定的粗糙度，这使得杨氏方程并能不完美适用。实验研究发现，物体表面的粗糙度能够明显的影响其表面接触角的大小，据此，Wenzel[19]和Cassie等人[21]分别对杨氏方程做了修改，通过引入了粗糙度的概念，分别提出了著名的又看似对立的“Wenzel模型”[19,20]和“Cassie-Baxter模型”[21,22]。Wenzel模型认为，当液滴与表面粗糙的固体接触时，液体会完全侵入到表面上由粗糙结构所导致的凹槽里，即液体会与表面完全耦合（见图7d)，接触界面只存在固-液界面。其方程为：（2）其中：r是粗糙度系数，也即是固液实际接触面积与水平面的投影面积的比值，θ为理想光滑表面接触角，也称杨氏接触角。θW为实际接触角。由（2）式可知，由于r的值总是大于1，当θ<90°时，θW随着r的增大而减小，表面变得更亲液；当θ>90°时，θW随着r的增大而增大，表面变得更疏液。因此Wenzel模型认为表面粗糙度的存在能让原来亲水的表面更加亲水，而疏水表面更加疏水。而Cassie-Baxter模型认为，同样的实验假设下，液体不会完全侵入粗糙表面，在液体和固体之间会存在缝隙，也即会形成气膜，导致最后的接触情况是气-液-固复合接触表面（见图7c）。其方程为：（3）其中：f1、f2分别为固-液接触面和气-液接触面在复合接触面中所占的比例，且f1+f2=1。θ为杨氏接触角，θC为实际接触角。物体表面的浸润性还与接触角滞后以及滚动角有关。接触角滞后△θ是前接触角θa与后接触角θr（见图7b）的差值，即：(4)而滚动角α是当液体会从表面上滚落下来时固体表面所需要倾斜的最小临界角度见图(7b)。两者都是描述液滴从表面滚落的难易程度。再对比分析两种模型的疏水情况可知，在Wenzel模型中，由于液体和表面完全接触，且有粗糙结构的存在，极大的增加了液体和固体接触时的表面积，导致液-固之间的粘附力较大，相同条件下液滴难以克服阻力而滚落，即滚动角增大；而在Cassie-Baxter模型中，由于固-液之间还存在气膜，使得表面在已保持疏水的效果下，液体和固体表面的接触表面积比Wenzel模型要小得多，相应固液之间的粘附力较小，因此后者模型中的液体往往容易滚落，一般具有很小的滚动角。若将超疏水应用于飞机防冰的话，根据防冰的基本思路，良好的防冰表面应能较好的减少过冷水滴的粘附，即使有少量过冷水滴粘附于表面也应能立即滚落，防止其停滞结晶成冰，因此，符合Cassie-Baxter模型的具有较小滚动角的超疏水表面符合防冰的实际需求。事实上，在大多数其他工程应用中，符合后者的超疏水材料也往往利用和应用最为广泛。5.2超疏水防冰涂层制作方法基于良好的疏水现象和效果，超疏水材料用于防冰已成为了国内外研究的热门[17]。科研人员也先期探究了多种制作超疏水防冰材料的制作办法。根基疏水模型及其机理分析可知，超疏水性表面可以通过两种方法来制备：一种是在疏水材料(接触角大于90°)表面构建粗糙结构；另一种是在粗糙表面上修饰低表面能的物质[17]。合乎要求的粗糙表面往往是难以找到或构建的，同时制作的超疏水表面往往用静态、常温水滴的测试表征疏水性，能否在处于动态的、低温、高湿度的防冰测试中成功的表现出良好防冰效果也往往有待于实验检验，因此怎么设计制备微纳米层级的粗糙结构以及后续的防冰性能测试、机理分析成为了研究第02期工业技术创新IndustrialTechnologyInnovation247的难点和热点。单就超疏水材料的制作来说，目前很多制备粗糙表面的方法已有报导，可以总概为“自底向上”(bottom–up)与“自顶向下”(top–down)[23]两种方式。5.2.1“自底向上”超疏水防冰材料制作方法所谓“自底向上”即是粗糙结构由物体表面的外侧或生长或构建成凸起结构，如图8所示。这种办法往往涉及到自生长、自组装、气相沉积等等技术，且一般制作的是表面不规则、随机状态的微纳阶层结构，较适用于有实用性需求的大面积超疏水材料的制作。各种制作方法如下简要概括。图8“自底向上”制作的超疏水表面粗糙结构SEM形貌a溶胶凝胶法制作的SiO2结构b模版法复制的水稻叶表面c电化学法制作的ZnO超疏水导电薄膜d气象沉积法制作的ACNT膜。1)溶胶凝胶法溶胶-凝胶法一般是以可以分解产生粒径不同的微粒（如微纳米级别的SiO2，TiO2，PS小球等）的化学物质为前驱体，制得不同大小微粒后再用微粒在表面上构造各种粗糙结构。用这种方法制备的材料的表面粗糙度可以通过改变实验和反应混合物的组成获得不同粒径的微粒来实现。如曲爱兰[24]等通过以正硅酸乙酯(TEOS)为前驱，用该方法制作了不同粒径的SiO2微粒（微粒直径控制在在100nm~500nm之间），再将不同直径的SiO2微粒溶液混合后再成膜成含微纳粗糙结构的薄膜(图8a)，通过低表面能的氟代烷基硅氧烷F8261自组装修饰后，薄膜的最大接触角超过174°，接触角滞后接近0°。2)模版法模版法通常用已有表面存在所需粗糙结构的母材为模版，通过“复制”的方法获得与相同的粗糙表面。母材既可以是天然的超疏水材料如荷叶等，也可以是其他材料，如多孔的氧化铝以及多孔聚合物ePTFE等。吉林大学的姚佳[25]等利用模版法(如下图9)，以天然的水稻叶为原始模版，用弹性聚合物材料聚二甲基硅氧烷(polydimethylsiloxane，PDMS)作为两次转写的基材，成功精确复制天然水稻叶表面的微纳结构(图8b)，得到的表面接触角达151°±2°，表现出的良好的超疏水性。图9模版法二次转写技术示意图3)电化学法电化学沉积一般是用“镀”或“沉积”的办法在材料表面制作微纳粗糙结构。该方法不受基体形状和尺寸的限制，因此电化学法也是一种常用的超疏水制作方法。Wang等[26]采用电化学沉积技术，在导电玻璃基体上制备了一层具有双重粗糙度的Cu膜，用链烷酸表面修饰后，膜表面的接触角能达到了153°；江雷等利用电化学沉积的方法制备除ZnO导电薄膜(图8c)，采用氟硅烷对其表面进行修饰后，该薄膜显示出了超疏水的性质,与水的接触角达152°[27]。4)气象沉积法气象沉积法虽然制作过程中设备相对较为复杂，制膜面积较小，但能制备出接触角较大的超疏水材料。江雷等用气相沉积法制备具有纯纳米结构紧密排列的阵列碳纳米管(ACNT)膜(图8d)，用氟硅烷修饰后，该膜这种膜呈现出接触角非常大的超疏水性(接触角达171.0+0.5°)，但是因制造的是纯纳米微结构，导致滚动角非常大(超过30°)[28,29]，后通过设计出微纳复合结合的粗糙结构新ACNT膜，得到了接触角较大而滚动角较小的理想超疏水材料。此外还有喷涂法[30]、逐层组装法[31]、电纺丝法[32]等等不一而足。然而这些方法制作的超疏水尚未曾用于防冰测第02期王冠等：飞机防冰——从传统到仿生的发展248试，只是从理论上来说具有防冰潜能，表面能否有效阻止冰晶结冰仍有待于检验。因为防冰不是单纯的水滴疏水测试，实验环境与水滴的温度、直径大小、周围环境温度以及湿度都有紧密联系。国外在这方面研究开始的较早，在1950s年代就开始有报道[33]，将超疏水材料用于防冰研究上发展的相对更为丰富和成熟。5.2.2“自顶向下”超疏水防冰材料的制作方法“自顶向下”的概念与“自底向上”刚好相反，指的是通过用腐蚀、光刻等“表面材料去除”的办法使表面产生微纳米级别的粗糙结构。这种方法往往用来制作粗糙结构规则的(如呈阵列分布等)，或是有特定图案(如蜂窝状，砖型等)的粗糙结构的超疏水防冰表面。使用“自顶向下”的办法能够控制、获取目标阶层结构，缺点是实验设备复杂、昂贵，不适用大面积制作。1)光刻法光刻法原是半导体制造工业中的芯片制造技术，现已广泛用于微纳米加工制造。通过掩膜设计的图形以及后续的同向、异向刻蚀等，能够完美的将想要的图形刻蚀在硅片上，且可以控制图形的刻蚀厚度等。哈佛大学的LidiyaMishchenko[34]等通过光刻法在硅片上刻蚀出包括柱状、片状、蜂窝状、砖型等四种高度规则的立体图形，再用化学修饰后使得到性能良好的超疏水界面。同时他们模拟自然结冰环境(水滴温度为0摄氏度，基板硅片温度为-10摄氏度)，在与亲水硅片、疏水硅片、超疏水硅片的防冰对比测试中验证了超疏水界面的硅片相较于前两者更难结冰(图10)。图10光刻法制作的超疏水表面防冰测试图中右侧为硅片表面光刻成的四种图案(柱形、砖形、条形、蜂窝状)。温度为0℃的水流以0.06mL/sec的速度从的基片（倾斜角度为30°，本体温度为-10℃）上10cm高处流下，一段相当长的时间后，三块硅基片中只有超疏水的硅片未出现结冰。2)化学刻蚀法化学刻蚀发即是用能与基材发生化学反应的化学物质腐蚀基材表面，通过控制用量、配比、腐蚀时间等来使基材获得粗糙结构。大连理工大学的周艳艳等[35]通过化学刻蚀法，在铝基的表面构建了纳米-微米混合的粗糙结构经过氟硅烷(FAS)修饰，形成了接触角大于155°的超疏水表面。同时他们将该铝片与未经化学腐蚀的铝片做了防冰霜对比试验，结果表明，超疏水铝表面在抑制结霜方面优于普通铝表面(图11)。图11化学法防冰测试图为未经处理的铝片（上）与已超疏水化的铝片（下），在模仿自然结冰环境下，前者的冰为块状，后者为针状，表明前者冰晶之间更容易相互结晶而成冰块。此外，还有如等离子刻蚀法、激光刻蚀法等自顶向下制作超疏水防冰材料的相关方法和技术。除了“自顶向下”和“自底向上”两种在材料表面内侧或者外侧制作粗糙结构超疏水防冰涂层外，还有其他的一些防冰材料的探索。典型的如哈佛大学的一家仿生实验室(TheAizenbergBiomineralizationandBiomimeticsLab)，通过在已制造出粗糙结构的铝片表面注入低表面能的化学物质形成顶层是“光滑”的超滑超疏水界面(如图12a)[36]，在相应防冰性能测试中，当环境温度为0℃到-2℃的时候，出现表面完全不结冰的效果，温度更低时，虽然最后也会结冰，但防冰能图12a为低表面能的化学物质注入到含有多孔的粗糙表面中，形成“超滑”的超疏水表面(SLIPS)；b为该表面的防冰、融冰测试，由于表面对水滴的黏附作用力很小，与纯铝的比较中，SLIPS-AL展现了更好的抗冰冻能力以及之后更佳的融冰速度和效率。第02期工业技术创新IndustrialTechnologyInnovation249力强于纯铝，且以加热的方式去除已结的冰的话，除冰比普通铝片更为容易(图12b)。此外，观察到自然界极地地区(如南北极等)一些动植物存在奇特的抗冻耐寒性能，科研人员研究发现其体内一般含有能抵御寒冷的抗冻蛋白质(Antifreezeproteins，AFP)，该蛋白质能够包覆生长初期的冰晶而阻止其结晶长大成冰块。据此德国一家研发机构(IFAM)提出了将该类蛋白质用于防冰涂层制作，且美国伯克利大学的AaronP.Esser-Kahn等[37]，通过实验成功将防冻蛋白质附着在玻璃基片上，且取得了良好的防冰效果。超疏水材料已被多次实践证明能够用于防冰材料，但是因为其中的超疏水于防冰的内在关系和机理尚不明确，在这方面的争论也非常之多，如剑桥大学的KripaK.Varanasi[38]等通过实验认为，超疏水材料并不能有效防冰，并提供了他们所制造的超疏水材料在防冰测试中最后所有粗糙结构都结冰的图片(如图13)。图13超疏水表面上的粗糙结构结冰图a、b、c、d表征在冰冻环境下，随着时间的增长，粗糙结构逐渐都结冰而MichaelNosonovsky[39]等则认为防冰性能和超疏水材料界面的粗糙结构的尺寸以及后退接触角有着巨大的关联，而且如果尺寸等不合适，不但不会防冰还会导致冰晶强烈附着在表面造成相反的效果等等。同时，由于自身的原因，由于超疏水材料表面一般存在粗糙结构，该粗糙结构非常容易损坏[40]，导致疏水性能大幅下降或者失效，因而如何超疏水性能稳定长久保持、耐用等也是存在的重大问题。6结语根据上文从传统到仿生防冰方法的介绍分析可知，两种方案的技术或方法各有利弊。传统的防冰、除冰方法思路简单，设计和实践相对成熟，但是在效果以及节能环保、安全可靠上尚不能满足飞机安全性的要求；而仿生防冰虽然目前仅处在研究阶段，且大多数成品限于实验室的实验，离正真的飞机防冰实践还有很长的一段路要走，也还存在很多问题或缺点尚未解决，但其设计理念先进，绿色环保，是一个可行性非常高的研究方向，一旦能制作出来，理论上具有防冰效果良好，省时省力、安全、低成本的优点。且随着研究的发展，仿生防冰前景会越来越明朗，这些都有待于科技工作者的进一步努力。参考文献李岩,冯放等.风力机叶片表而结冰的风洞试验研究[A].见:第八届全国风能应用技术年会论文集[C].2012:253-258.李航航，周敏.飞机结冰探测技术及防除冰系统工程应用[J].航空工程进展,2010,1(2):112-115.翟洪岩,孟样雨，孙鹏等.飞机防除冰技术研究[R].吉林省第七届科学技术学术年会.罗茜,王亚莉.飞机结冰对于飞行安全的重大危害分析[J].科技视野,2012,7(20):125-126.张杰,周磊.飞机结冰探测技术[J].仪器仪表学报,2006,27(12):1578-1586.张梅.低表面能涂层在飞机防除冰领域的研究进展与应用[J].现代涂科与涂装,2010,13(19):10-15.周莉,徐浩军.飞机结冰特性及防除冰技术研究[J].中国安全科学学报,2010,20(6):105-110.沈海军,史友进.飞机防冰与除冰的若干技术[J].飞机工程,2004,2004(1):54-57.胡鑫.飞机的结冰与防(除)冰[J].科技创新导报,2012,2012(16):73.王贤明,张燕.防冰涂料在飞机防冰中的应用前景[A].见:特种化工材料技术交流暨新产品、新成果信息发布会论文集[C].苏州.2010:124-126.常士楠.大型飞机的防/除冰问题[A].见:大型飞机关键技术高层论坛暨中国航空学会2007年年会论文集[C].深圳.2007.1-7.李建桥,任露泉,刘朝宗等.减粘降阻仿生犁壁的研究[J].农业机械学报,1996,27(2):1-4.韩鑫,张德远,李翔等,大面积鲨鱼皮复制制备仿生减阻表面研究[J].科学通报,2008,53(7):838-842.NeinhutsC,BarthlottW.CharacterizationandDistributionofWater-Repellent,Self-cleaningPlantSurfaces[J].Annalsofbotany,1997(79):667-677．BatrhlottW,NeinhuisC.PurityoftheScaredLotusorEscapeFromContaminationinBiologicalSurfaces[J].Planta,1997(202):1-8.WangerP,FurstneF,BarthlottW,etal.Quan-titativeAssessmenttotheStructuralBasisofWaterRepellencyinNatutalandTechnicalSurfaces[J].JournalofExperimentalBota-ny,2003,54(385):1295-l303.江雷.从自然到仿生的超疏水纳米界面材料[J].化工进展,2003,22(12):1258-l264.[1][2][3][4][5][6][7][8][9][10][11][12][13][14][15][16][17]第02期王冠等：飞机防冰——从传统到仿生的发展250Surfaces:AreTheyReallyIceRepellent[J].Langmuir,2011,27(1):25-29.王冠，男，硕士，毕业于北京航空航天大学，机械工程专业。研究方向：主要采用微纳米技术、微机电系统技术以及传统机械加工方式，采用仿生学的理念，从事飞机机翼、发动机等部位的防冰技术研究。E-mail:yanglinsong@yeah.net作者简介：YOUNGT.AnEssayontheCohesionofFluids[J].PhilosophicalTransactionsoftheRoyalSocietyofLondon.1805,95:65-87.WENZERN.ResistanceofSolidSurfacestoWettingbyWater[J],IndustrialEngineeringChemistry,1936.28(8):988-994.WENZELRN.SurfaceRoughnessandContactAngle[J].JournalofPhysicalChem-istry,1949,53(9):1466-1467.CASSIEABD,BAXTERS.WettabilityofPorousSurfaces[J].TranslationsoftheFaradaySociety,1944,40:1546-551．CASSIEABD.Contactangles[J].DiscussionsoftheFaradaySociety,1948,3:11-16.ZhongxinXue,MingjieLiu,LeiJiang.RecentDevelopmentsinPolymericSuperoleophobicSurfaces[J].JournalofPolymerScience,2012,50:1209-1224.曲爱兰,文秀芳,皮丕辉等.复合Si02粒子涂膜表面的超疏水性研究[J].无机材料学报,2008,2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