航空防冰技术展望

航空防冰技术展望

陈霁

（沈阳飞机工业集团有限公司，辽宁省沈阳市110034)

摘要：飞机结冰导致机毁人亡的飞行事故频发，严重威胁了飞行安全。本文基于结冰原理，综述了主要防除冰技术的发展现状及未来展望。

关键词：结冰；防除冰；涂层；

0 引言

结冰对飞机的稳定操作及安全飞行都极为不利，历史上发生过多次飞行事故。我国航空事业发展迅猛，飞机遭遇结冰概率大幅上升，相关研究刻不容缓。本文展望了飞机防/除冰3种主要方法（包括主动防护、被动防护＂和主被动联合）的发展趋势。

1防冰技术简介及展望

1.1主动防冰技术

现有飞机多采用下述几种防冰技术：

机械除冰系统：机械除冰系统是用机械的手段，通过物理形变扯裂结冰，通过气流吹离碎冰；

电防冰系统：通过加热防冰表面，实现防冰除冰的效果，能量消耗较大，一般都采用周期性或条件性加热；

液体防冰系统：液体防冰系统是通过防冰液与水混合，降低结冰温度，实现防冰效果；

热气防冰系统：由某级压气机引出热气到达防冰部位,常用于发动机进气道的防冰。

国内电热防除冰研究工作针对性较强，主要是为了解决飞机型号设计和应用过程中遇到的具体问题，在下列三个方面与国外存在一定差距：1.网格技术、计算方法和模拟技术的研究；2.热力耦合特性对冰层融化和力学特性的影响研究；3.冰脱落准则和运动规律研究。

1.2被动防冰技术

1.2.1简介

被动防冰是指通过在基体表面构建抗结冰功能涂层，减少冰对基体表面的黏附力和覆冰量的技术。被动防冰技术成本低、耗能少、易于实施，是一种理想的防冰方法。研究表明，基体表面结冰与其和水分子的相互作用力有关，作用力越大，冰的黏附强度就越高。改变涂层表面的化学组成，降低涂层的表面能，提高疏水性可减少表面冰的黏附力。

1.2.2复合材料防冰涂料

自20世纪30年代以来，包括美国航空航天局（NASA）在内的一些研究单位开始了长达半个多世纪对飞行器防冰的研究，随着基础化工材料技术的发展，各种新型低表面能疏水涂层材料引起了人们的注意[1]，见表1。

表1 国外相关产品基本情况

2011年南京大学的杨淑清[2]等以铝合金板为基材，在其表面制备6种不同的含氟涂层，研究不同涂层的防冰效果差异。实验发现，当温度从室温20℃降低至-8℃时，6种涂层的接触角均变小；同时验证了疏水涂层能明显降低与冰的附着力。2012年华中科技大学的王洪使用纳米氟碳材料，以铜板为基材制备防冰涂料。采用乙醇作为溶剂的氟化烃，经全氟聚氧烷基碳酸氮素衍生物表面改性剂，喷涂在铜板基体上，在一个-8℃的低温观察室，观察其接触角为164.62°，滚动角为6.17，结冰时间较未保护的铜板对比延迟了30 s 。

国内防冰涂料应用仍处于实验室阶段，在防冰涂料技术或产品研究方面，国内与国外仍存在差距，具体表现在：1）国内外防冰涂层技术成熟度存在差距（工程应用和涂层性能指标）；2）国内涂层防冰能力评价方面的技术、规范、标准体系不完善。

1.2.3仿生材料防冰涂料

基于仿生学的发展，科学家提出了仿生防冰表面的新型方法。仿生防冰表面，是指以自然界生物体表面微观结构和化学组成作为参考，制备出具有良好疏水冰性能的防冰表面，主要包括以荷叶效应为代表的超疏水表面（superhydrophobic surface ）和猪笼草仿生为代表的超润滑表面（slippery liquid - infusedporous surface ）。

1.2.3.1仿生超疏水防冰表面

超疏水表面是指水的静态接触角大于150°，接触角滞后小于10°，具有较低表面能的表面。目前常见的超疏水表面防冰机理一共3种。一是改变水在表面的润湿状态。超疏水表面能够有效减少水滴结冰前在材料表面的聚集，改变液滴冻结的温度。二是延迟水滴结冰。液滴从水

冻结成冰的相变过程中需要克服势垒做功成核，疏水表面能够减小固﹣液接触面积，降低传热速率，有效延缓结冰过程。三是减小冰粘附强度。从几何形貌上来说，由于固体表面存在粗糙微结构，冻结后的冰层和表面近似为点接触，使粘附强度大幅减小；从化学性质上来说，改性处理可以降低固体表面能，使氢键和亲水基团数量减少，降低冰层粘附强度[3]。

上海交通大学丁桂甫等利用相分离法制备了十八烷基三氯硅烷超疏水涂层，通过防冰试验测试发现，该涂层可有效延缓结冰并降低冰黏附力[4]；Pradeep等用1H,1H,2H,2H一全氟辛基三乙氧基硅烷改性纤维素纳米纤维和高岭石制备水性超疏水材料，表现出优异的疏水冰性，大大提高结冰延迟时间[5]。林童等使用基于氟化纳米颗粒，硅烷和表面活性剂的水性分散体制备超疏水涂料，所制备的超疏水涂层接触角为165°，滚动角为4°，具有较小的冰黏附强度。表面具有优异的机械性能和自修复性，提高了表面寿命[6]。

1.2.3.2仿生超润滑防冰表面

超润滑表面可简单概括为：基体上具有亲润滑液性能的微纳米粗糙结构，有助于低表面能；内部填充油基或水基润滑液；最外端为亲润滑液且疏水的表面。超润滑表面除了具备超疏水表面相关的防冰性能外，它还将原本超疏水表面固﹣气﹣液界面作用时的空气层替换为硅油、乙二醇等低表面能物质，进一步减小表面冰粘附强度。超润滑表面的仿生对象主要为猪笼草内壁、动物皮肤等具有多层复合结构的表面。

清华大学杨颖课题组通过相分离与电喷射的方式，在具有分层微米结构的硅酮橡胶表面浸入液体润滑液，制备新型润滑层材料，通过试验发现润滑液可以在毛细管作用力下覆盖整个表面的微纳米孔结构，减少冰成核和霜冻传播速度，具有良好的防冰特性[7]。Kim等研究了在工业级铝形成的SLIPS上霜和冰的形成。试验结果表明带SLIPS涂层铝的冰黏合强度远低于未处理铝[8]。

2未来展望

防冰涂层具有优异的疏水/冰性能，在防/除冰等领域展现出广阔应用前景，但存在诸多改进方向：1）在效率方面，目前的防冰涂层并不能完全阻止结冰现象的产生，只能在部分程度上抑制结冰的趋势，还需通过结构优化设计和制备工艺的改进来得到更优的性能。2）在实际应用方面，微纳结构和化学涂层会因磨损老化造成失效。现有防冰涂层大都在实验室的特定条件下オ能展现出良好的疏冰性，易受环境因素的影响，需要耐久性和稳定性。

基于结冰环境的复杂性和不确定性，目前国内外仍普遍倾向于主动防冰技术，但耗能大不可忽视。从应用效果看，联合防冰技术（如电热+防冰涂层）是目前效果最佳的防冰技术措施，也是今后研究和技术发展的趋势。。

参考文献：

[1] 马蕾，王贤明，宁亮.飞机防冰涂料的研究进展[J].中国涂料，2014, 29(1):11-14,18

[2] YANG , S Q ,XIAQ , ZHU L , et al . Research on the Icephobic Properties of Fluoropolymer-based Materials[j]. Applied Surface Science ,2011,257(11):4956-4962

[3] RAHIMI  M,AFSHARI  A,THORMANN  E.Effect of aluminum substrate surface modificatiaon on wettability and freezing delay of water droplet at subzero tempera-tures[J].ACS applied materials & interfaces,2016,8(17):11147-11153.

[4] Ge L, Ding G, Wang H, et al. Anti-icing property of superhydrophobic octadecyltrichlorosilane film and its ice adhesionstrength[J]. Journal of Nanomaterials, 2013(10):1-5.

[5] BaidyaA, Ganayee M A, Ravindran S J, et al. Organic solvent-free fabrication of durable and multifunctional superhydrophobicpaper from waterborne fluorinated cellulose nanofiber buildingblocks[J].ACS Nano, 2017(11): 11091一11099.

[6] Zhou H, Wang H, Niu H, et al. A waterborne coating systemfor preparing robust, self-healing, superamphiphobic surfaces[J]. Advanced Functional Materials, 2017, 27(14): 1604261.

[7] Liu Q, Yang Y, Huang M, et al. Durability of a lubricant-infused electrospray silicon rubber surface as an anti-icing coating[J]. Applied Surface Science, 2015, 346: 68-76

[8] Kim  P,  Wong  T  S,  Alvarenga  J,  et  al.Liquid-infused nanostructured  surfaces with extreme anti-ice and anti-frost performance[J]. ACS Nano, 2012, 6(8): 6569-6577.