“…目前的超疏水防覆冰领域主要体现在三个方面: 减少液滴与界面长时间接触(小液滴在过冷条件下 的反弹)、降低凝固点及延迟结冰时间(微小冷凝液 滴的自跳动现象)和构建疏冰低结冰粘附力表面(滑 液面防冰)。当固-液界面出现结冰现象时, 表面结 冰过程可用开尔文方程和克拉伯龙方程分析小液滴 的分类形核理论和抑制形核能理论 [84] 来分析该表 面的防覆冰能力(图 3)。 超疏水表面普遍存在小液滴弹跳现象 [87][88][89] , 其 原因为遭到液滴撞击时的小液滴动能不易转变为超 疏水表面内能 [90][91] , 超疏水涂层的表面张力较小 (图 4)。因此, 当低温环境下的超疏水表面出现弹跳 现象时, 弹跳的液滴于结冰形核前离开超疏水表面, 从而减缓界面的过冷传输过程, 达到防覆冰的目 的。Quéré 课题组 [92] 研究表明, 液滴以 20~230 cm/s 的速度撞击超疏水表面时, 液滴和界面的接触时间 仅与液滴半径和界面张力有关, 与撞击速度无关。 冷凝在微纳结构内部的小液滴受限于粗糙结构 而导致其形状改变, 小液滴汇集结合后的液滴自由 能过剩, 即表面自由能大于液滴平衡态自由能, 最 终液滴在低表能的超疏水表面弹起或滚动离开 [93] , 宏观表现为小液滴连续的自跳动现象(图 5)。 通过控 制微纳结构的尺寸变化及其不同的结构粗糙度, 可 提高超疏水表面的自跳动防冰效果 [94][95][96] 。超疏水涂 层的表面能较小且静态接触角较大, 导致液滴与超 疏水表面的接触面积较小。根据小液滴的分类形核 理论和抑制形核能 [84] , 控制超疏水表面的粗糙度小 于且无限接近于临界晶核的最小半径值 [97] , 此时, 超疏水表面具有结冰延迟效果 [98][99] 。 覆冰与物体表面存在范德华力、氢键作用和静 电引力(表 3)。 界面接触时范德华力普遍存在且与接 触面面积呈现线性关系, 具有亲水基团表面的氢键 作用较强, 静电引力是三种作用力中最重要的影响 结冰粘附力因素, 材料的介电常数越低, 覆冰的静 电引力作用越小 [100] 。研究表明, 低表面能的超疏水 表面可降低覆冰的粘附力 [101][102][103][104][105][106][107] , 但由于超疏水表 面形貌和微纳结构的差异, 具体的防结冰及降低覆 冰粘附力的机理研究还有待完善。 图 2 高透明超疏水涂层 [80][81] Fig. 2 (a) Transparent and durable superhydrophobic glass [80] and (b) highly transparent and superhydrophobic nanopaper [81] 无 机 材 料 学 报 第 34 卷 图 3 防-疏冰机理和小液滴形核结冰过程 [85][86] Fig. 3 (a) Mechanisms of anti-icing and ice-phobic surface [85] ; (b) Schematic diagram showing the regions within a water droplet where homogeneous and heterogeneous ice nucleation occurs; (c) Gibbs free energy barrier during freezing process against the ice embryo radius (Below critical size the ice embryo is metastable and above critical size the ice embryo is stable to initiate the freezing process) [86] 图 4 超疏水表面的小液滴弹跳现象 [87]…”