武衛(wèi)東 王菲菲 申瑞 汪德龍

（上海理工大學(xué)制冷與低溫工程研究所 上海 200093）

不同基底溫度下鋁基超疏水表面的抗結(jié)冰性能實(shí)驗(yàn)

武衛(wèi)東 王菲菲 申瑞 汪德龍

（上海理工大學(xué)制冷與低溫工程研究所 上海 200093）

本文利用刻蝕方法制備了鋁基超疏水表面，在環(huán)境溫度20℃、相對濕度60%下進(jìn)行了不同基底溫度（－15℃、－20℃、－25℃、－30℃）超疏水表面的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)低溫液滴抗結(jié)冰性能實(shí)驗(yàn)研究。結(jié)果表明：超疏水表面在液滴靜、動(dòng)態(tài)下均表現(xiàn)出良好抗結(jié)冰性能；在靜態(tài)液滴抗結(jié)冰實(shí)驗(yàn)中，隨著冷表面溫度的降低，超疏水表面延緩結(jié)冰的時(shí)間快速下降，當(dāng)基底溫度為－25℃時(shí)，其抗結(jié)冰性能發(fā)生突變，并隨冷表面溫度的進(jìn)一步降低而表現(xiàn)惡化；在動(dòng)態(tài)液滴抗結(jié)冰實(shí)驗(yàn)中，當(dāng)冷表面溫度為－15℃和－20℃時(shí)，低溫液滴能快速從低溫表面彈離，而當(dāng)冷表面溫度為－25℃和－30℃時(shí)，低溫液滴不能從超疏水表面彈離，滯留在超疏水表面上，且快速在其上凍結(jié)，超疏水表面失去了抗結(jié)冰性能?；谙嚓P(guān)相變成核理論，分析了其抗結(jié)冰的機(jī)理。為超疏水表面在冬季空調(diào)室外換熱器上的應(yīng)用提供一定參考。

鋁基超疏水表面；抗結(jié)冰

空氣源熱泵在冬季工況下，空氣中水蒸氣極易在換熱器表面凝結(jié)成露水乃至形成大量的冰霜，嚴(yán)重影響了系統(tǒng)的換熱性能及制熱效果，同時(shí)由于需要提供額外的能量進(jìn)行融霜，造成能源的浪費(fèi)。近年來，鋁合金材料廣泛應(yīng)用于空調(diào)制冷領(lǐng)域換熱器上，傳統(tǒng)的方法難以從根本上解決鋁制換熱器表面結(jié)霜結(jié)冰的問題。超疏水材料憑借其獨(dú)特的表面潤濕性，具有很大程度上抑制冰霜生成的潛力，前景良好［1－2］。尤其近年來隨著超疏水表面制備技術(shù)的不斷進(jìn)步，將其應(yīng)用于抗結(jié)冰的研究引起了眾多學(xué)者的關(guān)注。

C.Laforte等［3］最先研究報(bào)道了超疏水表面具有降低冰粘附力的功能。隨后抗結(jié)冰的研究主要分為兩類：原位靜態(tài)液滴的抗結(jié)冰和外部滴落動(dòng)態(tài)的低溫水滴抗結(jié)冰性能。靜態(tài)液滴抗結(jié)冰研究旨在研究材料的本征抗結(jié)冰性能，而動(dòng)態(tài)低溫液滴抗結(jié)冰研究是為了描述材料抗結(jié)冰的動(dòng)力學(xué)表現(xiàn)［4］。L.Yin等［5］通過外加單個(gè)水滴（5 μL）的方法觀察了水在超疏水表面和其他四類表面上的結(jié)冰過程（從0℃開始，0.5℃／min持續(xù)降溫，直至結(jié)冰），結(jié)果表明超疏水表面具有較低的滾動(dòng)角，結(jié)冰初期可降低冰的堆積，當(dāng)傾角為90°時(shí)，超疏水表面具有靜態(tài)抗結(jié)冰優(yōu)勢。F.Wang等［6－7］用化學(xué)刻蝕的方法在鋁表面構(gòu)建了具有微納米結(jié)構(gòu)的超疏水表面，并對其進(jìn)行了靜態(tài)抗結(jié)冰實(shí)驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)在基底溫度從17.5℃降低到－10℃時(shí)，其表面仍能保持高達(dá)150°的靜態(tài)接觸角；且在環(huán)境溫度為－6℃時(shí)，在超疏水表面上方噴灑過冷水，其表面僅有少量覆冰形成，表明其相較于普通表面具有良好的抗結(jié)冰性能。Y.F.Zhang等［8］制備的納米結(jié)構(gòu)超疏水表面接觸角達(dá)到了154.6°，且水滴在環(huán)境溫度從0℃降至－15℃仍能保持液態(tài)，在－15℃經(jīng)過10 min部分水滴仍能保持液態(tài)，而未處理表面降溫至－10℃就已很快結(jié)冰，表明納米結(jié)構(gòu)超疏水表面具有靜態(tài)抗結(jié)冰能力。L.Cao等［9］研究了超疏水表面基底溫度低至－20℃時(shí)過冷去離子水在表面上的靜態(tài)抗結(jié)冰效果，結(jié)果表明超疏水表面的微納結(jié)構(gòu)尺寸越大，抗結(jié)冰性能越差。P.Guo等［10］研究了靜態(tài)液滴在ZnO納米棒超疏水表面上延遲結(jié)冰的性能，實(shí)驗(yàn)表明在－10℃時(shí)，微納米復(fù)合結(jié)構(gòu)的靜態(tài)接觸角仍然大于150°；同時(shí)將7 μL水滴靜置在基底溫度為－20℃，基底表面分別為微米結(jié)構(gòu)、微納米復(fù)合結(jié)構(gòu)、納米結(jié)構(gòu)的超疏水表面時(shí)，通過比較結(jié)冰時(shí)間發(fā)現(xiàn)微納米復(fù)合結(jié)構(gòu)具有最佳的延緩結(jié)冰的能力。在動(dòng)態(tài)抗結(jié)冰方面，R.Jafari等［11］利用所制備超疏水表面進(jìn)行冷凍風(fēng)道內(nèi)實(shí)驗(yàn)，在空氣速度10 m／s，溫度－10℃，水滴密度2.5 g／m3及平均直徑80 μL條件下，發(fā)現(xiàn)超疏水表面相較于普通表面具有較強(qiáng)的動(dòng)態(tài)抗結(jié)冰能力。C.Antonini等［12］在環(huán)境溫度為－17℃，風(fēng)速為0.28 m／s，分別在空氣含濕量低（1.5 g／m3）和高（12.3 g／m3）的條件下于風(fēng)洞中測試了鋁基超疏水表面的抗結(jié)冰能力，發(fā)現(xiàn)與普通未處理的鋁合金表面相比，超疏水表面能夠大大降低結(jié)冰量，節(jié)約了近80%的能量。L.Mishchenko等［13］在基底溫度低至－25℃時(shí)，分別對親水表面、疏水表面、超疏水表面經(jīng)過冷水滴撞擊后水滴的動(dòng)力學(xué)性能及動(dòng)態(tài)抗結(jié)冰情況做了深入的研究，實(shí)驗(yàn)得出超疏水表面具有較好的抗結(jié)冰性能，同時(shí)作者對整個(gè)抗結(jié)冰的過程作了理論解釋，指出盡快使得過冷水在結(jié)冰之前彈離表面是實(shí)現(xiàn)抗結(jié)冰性能的關(guān)鍵。Y.Wang等［14］利用10 μL液滴在壁面溫度為－10℃，濕度為45%～55%條件下，從不同高度（5 cm，20 cm和50 cm）撞擊多種不同表面，發(fā)現(xiàn)相較于其他表面，超疏水表面具有較為明顯的動(dòng)態(tài)抗結(jié)冰性能。龍江游等［15］研究了超疏水表面在低溫－5℃和－10℃下的動(dòng)態(tài)抗結(jié)冰過程，發(fā)現(xiàn)超疏水表面水的粘附性對其抗結(jié)冰性能有顯著影響，粘附性較小的比高粘附性的超疏水表面具有更為優(yōu)異的抗結(jié)冰性能。

從目前文獻(xiàn)來看，多數(shù)學(xué)者只單純對超疏水表面進(jìn)行了靜態(tài)或動(dòng)態(tài)抗結(jié)冰實(shí)驗(yàn)研究，鮮有同時(shí)進(jìn)行靜態(tài)液滴和動(dòng)態(tài)低溫液滴的超疏水表面抗結(jié)冰研究，且缺乏基底溫度對超疏水表面抗結(jié)冰性能影響的系統(tǒng)研究。由于空調(diào)室外換熱器在冬季運(yùn)行工況下靜態(tài)結(jié)冰和動(dòng)態(tài)融霜水結(jié)冰可能同時(shí)發(fā)生，因此開展超疏水表面在不同基底溫度下的相關(guān)抗結(jié)冰過程研究對全面了解結(jié)冰機(jī)制及其預(yù)防具有重要意義。本文在前人研究的基礎(chǔ)上，采用刻蝕法所制備的超疏水表面，對不同基底溫度下的超疏水表面同時(shí)進(jìn)行靜態(tài)液滴抗結(jié)冰和動(dòng)態(tài)低溫液滴抗結(jié)冰的實(shí)驗(yàn)研究，并進(jìn)行超疏水表面抗結(jié)冰的初步機(jī)制探討，為超疏水表面應(yīng)用于冬季空調(diào)室外換熱器提供一定參考。

圖1 普通鋁合金表面與鋁基超疏水表面結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Surface structure of aluminum alloy and aluminum?based super?hydrophobic surface

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)用超疏水表面

鋁基超疏水表面的制備方法有很多種［16］，采用簡單廉價(jià)而又可靠的方法制備鋁基超疏水表面更具有實(shí)用意義。綜合前人對化學(xué)刻蝕法方法的研究［17－19］，本文采用鹽酸刻蝕鋁合金表面后再噴涂超疏水涂料（型號：SY-SUPERCOAT-SHOS150）的方法，制備了鋁基體超疏水表面。如圖1所示，分別為未處理普通鋁合金表面與所制備鋁基超疏水表面結(jié)構(gòu)均放大約1 000倍的對比圖。利用光學(xué)接觸角測量儀（型號：SL200B）對兩種表面進(jìn)行了接觸角測試，測量用水為去離子水。如圖2所示，分別為未處理普通鋁合金表面與水的接觸角（52°±1°），所制備鋁基超疏水表面與水的接觸角（152°±1°）以及兩者結(jié)冰形態(tài)對比圖（圖2（c）中，左側(cè)為普通表面，右側(cè)為超疏水表面）。

圖2 普通鋁合金表面與所制備鋁基超疏水表面接觸角圖Fig.2 Contact angle of aluminum alloy surface and aluminum?based super?hydrophobic surface

1.2 靜態(tài)水滴抗結(jié)冰實(shí)驗(yàn)

圖3所示為靜態(tài)水滴抗結(jié)冰實(shí)驗(yàn)示意圖，其中被測樣品表面（超疏水表面或普通表面）緊貼半導(dǎo)體制冷片表面放置。實(shí)驗(yàn)在環(huán)境溫度20℃和相對濕度60%下進(jìn)行，分別設(shè)置半導(dǎo)體制冷片溫度為－15℃，－20℃，－25℃和－30℃作為表面基底溫度條件。為了防止實(shí)驗(yàn)開始前濕度對實(shí)驗(yàn)的影響，實(shí)驗(yàn)前在樣品表面上放置塑料薄膜，待制冷片穩(wěn)定在設(shè)置溫度時(shí)，將塑料薄膜移除，快速使用膠頭滴管將室溫下的水滴靜置于被測樣品表面上，利用高速攝像儀觀測整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程液滴形態(tài)的變化，記錄液滴凍結(jié)的時(shí)間。

圖3 靜態(tài)水滴抗結(jié)冰實(shí)驗(yàn)示意圖Fig.3 Schematic diagram of anti?icing test for static water?droplets

1.3 動(dòng)態(tài)低溫水滴抗結(jié)冰實(shí)驗(yàn)

圖4所示為動(dòng)態(tài)低溫水滴抗結(jié)冰實(shí)驗(yàn)示意圖，同樣將被測超疏水表面或普通表面樣品緊貼半導(dǎo)體制冷片表面放置。實(shí)驗(yàn)在環(huán)境溫度為20℃和相對濕度為60%下進(jìn)行，分別設(shè)置半導(dǎo)體制冷片溫度為－15℃，－20℃，－25℃和－30℃，待制冷片穩(wěn)定在設(shè)置溫度時(shí)，在樣品表面正上方6 cm處快速使用膠頭滴管滴落水溫近似為0℃的去離子水液滴，利用高速攝像儀（幀率1 000 fps）觀測低溫液滴碰撞樣品表面時(shí)的形態(tài)變化。

圖4 動(dòng)態(tài)低溫水滴抗結(jié)冰實(shí)驗(yàn)示意圖Fig.4 Schematic diagram of anti?icing test for dynamic low temperature water?droplets

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及討論

2.1 靜態(tài)水滴抗結(jié)冰實(shí)驗(yàn)分析

超疏水表面上靜態(tài)水滴延緩結(jié)冰的時(shí)間是影響超疏水表面抗結(jié)冰性能的重要因素，本節(jié)通過實(shí)驗(yàn)比較普通表面與超疏水表面靜態(tài)液滴結(jié)冰時(shí)間。

圖5所示為普通鋁表面和超疏水鋁表面靜置水滴結(jié)冰過程的對比圖，每張圖片中左邊和右邊分別為普通表面和超疏水表面，實(shí)驗(yàn)時(shí)環(huán)境溫度為20℃，相對濕度為60%，半導(dǎo)體制冷片溫度為－20℃。

由圖5（a）可以看出，左側(cè)普通鋁表面上水滴完全鋪展在表面上，水滴與表面充分接觸；右側(cè)樣品表面上水滴與表面部分接觸，水滴“懸浮”在表面上。

圖5（b）所示為普通鋁表面結(jié)冰瞬間圖，僅僅經(jīng)過7 s，左側(cè)普通表面上的水滴就發(fā)生凍結(jié)，并且在一瞬間水滴由液態(tài)變?yōu)楣虘B(tài)，而此時(shí)右側(cè)鋁基體超疏水表面上的水滴仍然呈液態(tài)球狀。

圖5（c）所示為超疏水表面結(jié)冰瞬間圖，經(jīng)過長達(dá)501 s，右側(cè)水滴才瞬間發(fā)生結(jié)冰，由液態(tài)經(jīng)過透明轉(zhuǎn)變成固態(tài)冰。對比普通鋁表面，鋁基超疏水表面能有效延遲近71倍的結(jié)冰時(shí)間。由此可見，鋁基超疏水表面具有優(yōu)異的靜態(tài)液滴抗結(jié)冰性能。一方面水滴在超疏水表面上較大的接觸角增加了液態(tài)水滴凝固的能壘，造成液態(tài)水滴在超疏水表面上難以凍結(jié)；另一方面水滴在超疏水表面的微納米尺度結(jié)構(gòu)上形成固-液-氣三相共存的界面，此時(shí)水滴和超疏水表面基底形成的空氣層具有絕熱作用，能夠減緩水滴在低溫超疏水表面的結(jié)冰速度。

為了更深入地研究鋁基超疏水表面抗結(jié)冰的性能，先后在環(huán)境溫度為20℃和相對濕度為60%，冷表面分別為－15℃，－20℃，－25℃和－30℃條件下進(jìn)行普通鋁表面與鋁基超疏水表面的抗結(jié)冰實(shí)驗(yàn)。

圖6所示為普通鋁表面和鋁基超疏水表面在不同冷表面溫度條件下延緩結(jié)冰時(shí)間的對比圖。

圖5 不同時(shí)刻下靜態(tài)液滴結(jié)冰過程對比圖Fig.5 Contrast diagram of static droplet freezing process at different moments

圖6 不同冷表面不同基底溫度延緩結(jié)冰時(shí)間的對比圖Fig.6 Comparison of delaying the freezing time under different substrate temperatures for common surface and super?hydrophobic surface

由圖6可以看出，隨著基底溫度的降低，超疏水表面靜態(tài)液滴抗結(jié)冰能力迅速下降，在基底溫度為－25℃時(shí)發(fā)生了突變，延緩結(jié)冰時(shí)間從501 s大幅下降到127 s，基底溫度為－30℃時(shí)，延緩結(jié)冰時(shí)間進(jìn)一步下降為96 s。普通表面結(jié)冰的時(shí)間基本上變化不大，在－15℃時(shí)其結(jié)冰時(shí)間為20 s，基底溫度進(jìn)一步降低后結(jié)冰時(shí)間基本保持在6 s左右。對比普通表面與超疏水表面的結(jié)冰時(shí)間可以發(fā)現(xiàn)，超疏水表面具有性能優(yōu)異的延緩結(jié)冰能力。結(jié)冰的本質(zhì)是過冷液滴的相變成核，相變成核分為異相和均相成核，根據(jù)相關(guān)理論研究［20－21］，均相成核主要描述新相晶核在母相中自發(fā)成核，體系中任何區(qū)域生成新相的幾率相同；異相成核主要描述新相形成在原有的固相界面或者已經(jīng)生成的液相界面上。兩者成核的過程都需要克服吉布斯自由能勢壘，均相成核的吉布斯自由能勢壘大于異相成核的能勢壘，所以大部分成核過程都是異相成核。水滴在超疏水表面結(jié)冰為異相成核過程，過程中需要克服的吉布斯自由能勢壘為異相成核能壘。延緩靜置液滴結(jié)冰時(shí)間隨著溫度的降低而較大幅度降低，這反映結(jié)構(gòu)的本征抗結(jié)冰能力在減弱。

根據(jù)X.Y.Liu等［22］研究，結(jié)冰所需克服的異相成核能壘Δ Ghet與該條件下的均相成核能壘Δ Ghomo符合以下關(guān)系：

式中：因子f與超疏水表面微觀結(jié)構(gòu)的形貌以及化學(xué)成分有關(guān)，其大小可以用來衡量成核發(fā)生的難度。因此，因子f在某種程度上可以反映所設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的成核能壘大小，這對于定量和定性評價(jià)結(jié)構(gòu)抗結(jié)冰性能有著極為重要的意義。f可以表示為：

其中：

式中：R為球形直徑，即實(shí)驗(yàn)中可測量的超疏水材料納米針的頂端直徑，m；rc為臨界成核直徑，m，當(dāng)過冷度等條件確定時(shí)，臨界成核直徑rc為一定值，因此R／rc可以反映結(jié)構(gòu)的本征影響成核能壘效果；θ為結(jié)構(gòu)材料晶胚的本征接觸角，（°）。一般而言由于微觀晶胚的接觸角不可測量，因此可近似認(rèn)為θ為材料結(jié)構(gòu)的宏觀液滴本征接觸角。臨界成核直徑的計(jì)算公式為：

式中：γ為水-冰的界面張力，約為0.03 J／m2，v為水的摩爾體積，約為1.8×10－5m3／mol，ΔG為系統(tǒng)勢能的變化，J／mol，可通過以下公式計(jì)算：

式中：cp為水的比熱容，約為75.3 J／（mol·K）；Tm為水的熔點(diǎn)，273.15 K；T為水滴的實(shí)際過冷溫度，K。

為了便于定量分析處于不同過冷度時(shí)樣品的本征抗結(jié)冰能力，孫寶［4］分別計(jì)算了過冷溫度為 －5℃、－10℃、－15℃和－20℃時(shí)因子f的大小，結(jié)果見圖7。

圖7 不同過冷度時(shí)因子f的理論計(jì)算值Fig.7 Theoritical calculation values of the factor f at different subcooled degrees

由圖7可知，當(dāng)過冷度為－5℃時(shí)，因子f大小接近1，說明此過冷度下樣品頂端的成核能壘與該條件下均相成核勢壘相當(dāng)，意味著此時(shí)在該界面的液滴極難結(jié)冰，當(dāng)過冷度增大到－10℃時(shí)，頂端勢壘仍極靠近該條件下均相成核勢壘，結(jié)冰事件依舊較難發(fā)生，隨過冷度的繼續(xù)增加，結(jié)構(gòu)在抑制成核結(jié)冰效果上持續(xù)減弱。同時(shí)需要注意到的是，因子f是不同條件時(shí)異相成核勢壘與均相成核勢壘的比值，當(dāng)溫度降低到一定程度時(shí)，體系均相成核勢壘迅速降低，同時(shí)f也在變小，因此總的結(jié)構(gòu)成核勢壘更為迅速降低［4］，這一計(jì)算結(jié)果與本文實(shí)驗(yàn)結(jié)論相吻合，理論上進(jìn)一步解釋了超疏水表面抗結(jié)冰性能隨冷表面溫度的降低而降低的原因。

圖8 低溫水滴撞擊不同冷表面溫度下超疏水表面過程圖Fig.8 Process photos of cold water droplet impinging on super?hydrophobic surface under different temperatures

2.2 動(dòng)態(tài)低溫水滴抗結(jié)冰實(shí)驗(yàn)分析

室外換熱器表面存在融霜水等低溫液滴，測試所制備的超疏水表面對動(dòng)態(tài)低溫液滴抗結(jié)冰性能具有重要的意義。圖8所示為低溫水滴撞擊不同冷表面溫度下超疏水表面過程圖，圖中液滴從超疏水表面正上方6 cm處開始滴落，水滴進(jìn)入到高速攝像儀視野中時(shí)記為0 ms。

圖8（a）所示為冷表面溫度為－15℃低溫水滴撞擊超疏水表面過程圖，在50 ms時(shí)，液滴與表面開始碰撞，低溫水滴相繼鋪展、收縮、彈離，最后在重力作用下穩(wěn)定在表面上，表明在－15℃的基底溫度下，超疏水表面對動(dòng)態(tài)低溫水滴具有優(yōu)異的抗結(jié)冰性能。

當(dāng)基底溫度為－20℃時(shí)，低溫液滴同樣經(jīng)歷了碰撞、鋪展、收縮、彈離的整個(gè)過程，如圖8（b）所示。與圖8（a）不同之處在于，當(dāng)液滴彈離時(shí)，其高度明顯低于基底溫度為－15℃的情況，表明此時(shí)超疏水表面的抗結(jié)冰性能已有所減弱，結(jié)合超疏水表面的靜態(tài)液滴抗結(jié)冰能力，在－15℃和－20℃下，其能延遲結(jié)冰的時(shí)間分別為1 022 s和501 s，而整個(gè)動(dòng)態(tài)水滴撞擊直至彈離的過程僅僅40 ms，這就可以保證低溫的水滴能在結(jié)冰之前快速離開超疏水表面。

圖8（c）所示為在冷表面溫度為－25℃下低溫水滴撞擊超疏水表面的全過程，和圖8（b）不同的是，低溫水滴撞擊超疏水表面后并沒有出現(xiàn)液滴鋪展、收縮和彈離的過程，而是直接保持液態(tài)水滴的形態(tài)穩(wěn)定在超疏水表面上，此時(shí)超疏水表面已經(jīng)部分喪失抗結(jié)冰的性能。圖8（d）所示為基底溫度為－30℃下低溫液滴撞擊超疏水表面的過程，整個(gè)過程與基底溫度為－25℃時(shí)類似，唯一不同之處是，水滴接觸到超疏水表面后，在60 ms時(shí)水滴即發(fā)生凍結(jié)，此時(shí)超疏水表面已基本喪失了抗結(jié)冰的性能。依據(jù)相變成核理論中均相和異相成核能壘的關(guān)系［22］，在基底溫度為－15℃和－20℃時(shí)低溫水滴撞擊基底，因?yàn)榇藭r(shí)表面還具有較高的能壘抵抗水滴結(jié)冰，當(dāng)液滴鋪展在超疏水表面時(shí)，會延緩結(jié)冰時(shí)間，并同樣因表面具有比較高的能壘而在最終結(jié)冰前被彈走；當(dāng)進(jìn)一步降低基底溫度為－25℃和－30℃時(shí)超疏水表面的能壘相對較小，延緩結(jié)冰時(shí)間變短，低溫水滴滴落在表面保持形態(tài)穩(wěn)定的狀態(tài)，此時(shí)超疏水表面幾乎喪失了抗結(jié)冰能力。

3 結(jié)論

本文利用刻蝕法制備了鋁基超疏水表面，當(dāng)環(huán)境溫度為20℃和相對濕度60%時(shí)，進(jìn)行了不同基底溫度（－15℃，－20℃，－25℃和－30℃）的超疏水表面靜態(tài)液滴抗結(jié)冰和動(dòng)態(tài)低溫液滴抗結(jié)冰的實(shí)驗(yàn)研究，得出如下結(jié)論：

1）當(dāng)超疏水表面基底溫度為－15℃和－20℃時(shí)，無論對靜態(tài)液滴還是動(dòng)態(tài)低溫液滴都表現(xiàn)出良好的抗結(jié)冰能力。對于靜態(tài)液滴，隨著冷表面溫度的降低，表面延緩結(jié)冰的時(shí)間快速下降，在基底溫度為－25℃時(shí)，超疏水表面抗結(jié)冰性能發(fā)生突變，隨著冷表面溫度進(jìn)一步降低其抗結(jié)冰性能表現(xiàn)惡化，這是由于此時(shí)超疏水表面失去了能夠延緩結(jié)冰的能壘，已失去其抗結(jié)冰的性能。

2）對于動(dòng)態(tài)低溫液滴，當(dāng)冷表面溫度在－15℃和－20℃時(shí)，超疏水表面同樣具有抗結(jié)冰的能壘，低溫液滴能快速從低溫表面彈離；而當(dāng)冷表面溫度為－25℃和－30℃時(shí)，其異相成核能壘被打破，液滴不能從超疏水表面彈離而滯留其上，且快速凍結(jié)。如果空調(diào)室外換熱器的溫度降低到－25℃以下，同時(shí)遇到室外動(dòng)態(tài)低溫融霜水滴時(shí)，超疏水表面抗結(jié)冰能力會急劇惡化。

3）靜態(tài)液滴下超疏水表面良好的抗結(jié)冰性能（延緩結(jié)冰時(shí)間）有利于對動(dòng)態(tài)低溫液滴的表面抗結(jié)冰性能的延續(xù)。

本文受教育部留學(xué)回國人員科研啟動(dòng)基金（LXJJ2015）和上海市自然科學(xué)基金（14ZR1429000）項(xiàng)目資助。（The project was supported by the Scientific Research Foundation for the Returned Overseas Chinese Scholars and State Education Ministry and the Natural Science Foundation of Shanghai（No. 14ZR1429000）.）

［1］王洪燕，劉中良，孟聲，等.自然對流下強(qiáng)吸水表面上結(jié)霜特性的研究［J］.制冷學(xué)報(bào)，2004，25（4）：25-29.（WANG Hongyan，LIU Zhongliang，MENG Sheng，et al. Experimental study on characteristics of frost formation on strong hydrophilic surfaces under natural convection conditions［J］.Journal of Refrigeration，2004，25（4）：25-29.）

［2］徐文驥，宋金龍，孫晶，等.鋁基體超疏水表面結(jié)冰結(jié)霜特性研究［J］.制冷學(xué)報(bào)，2011，32（4）：9-13.（XU Wenji，SONG Jinlong，SUN Jing，et.al.Characteristics of ice and frost formation on superhydrophobic surfaces on aluminum substrates［J］.Journal of Refrigeration，2011，32（4）：9-13.）

［3］Laforte C，Laforte J，Carrière J.How a solid coating can reduce the adhesion of ice on a structure［C］／／Proceedings of the International Workshop on Atmospheric Icing of Structures.Brno，2002：1-6.

［4］孫寶.銅基超疏水界面構(gòu)筑及抗結(jié)冰、抗結(jié)霜性能研究［D］.南京：南京理工大學(xué)，2014.（SUN Bao.Fabrication of super-hydrophobic surface on cooper and its application in anti-icing and anti-frosting［D］.Nanjing：Nanjing University of Science and Technology，2014.）

［5］Yin L，Xia Q，Xue J，et al.In situ investigation of ice formation on surfaces with representative wettability［J］.Applied Surface Science，2010，256（22）：6764-6769.

［6］Wang F，Li C R，Lv Y Z，et al.A facile superhydrophobic surface for mitigating ice accretion［C］／／Proceedings of the 9th International Conference on Properties and Applications of Dielectric Materials.Harbin：IEEE，2009：150-153.

［7］Wang F，Li C R，Lv Y Z，et al.Ice accretion on superhydrophobic aluminum surfaces under low-temperature conditions［J］.Cold Regions Science＆Technology，2010，62（1）：29-33.

［8］Zhang Y F，Yu X Q，Wu H，et al.Facile fabrication of superhydrophobic nanostructures on aluminum foils with controlled-condensation and delayed-icing effects［J］.Applied Surface Science，2012，258（20）：8253-8257.

［9］Cao L，Jones A K，Sikka V K，et al.Anti-icing superhydrophobic coatings［J］.Langmuir，2009，25（21）：12444-12448.

［10］Guo P，Zheng Y，Wen M，et al.Anti-icing properties of micro／nanostructured surfaces［J］.Advanced Materials，2012，24（19）：2642-2648.

［11］Jafari R，Menini R，F(xiàn)arzaneh M.Superhydrophobic and ice-phobic surfaces prepared by RF-sputtered polytetrafluoroethylence coatings［J］.Applied Surface Science，2010，257（5）：1540-1543.

［12］Antonini C，Innocenti M，Horn T，et al.Understanding the effect of superhydrophobic coatings on energy reduction in anti-icing systems［J］.Cold Regions Science＆ Technology，2011，67（1／2）：58-67.

［13］Mishchenko L，Hatton B，Bahadur V，et al.Design of icefree nanostructured surfaces based on repulsion of impacting water droplets［J］.Acs Nano，2010，4（12）：7699-7707.

［14］Wang Y，Xue J，Wang Q J.Verification of ice-phobic／anti-icing properties of a super-hydrophobic surface［J］.ACS Applied Materials＆Interfaces，2013，5（8）：3370-3381.

［15］龍江游，吳穎超，龔鼎為，等.飛秒激光制備超疏水銅表面及其抗結(jié)冰性能［J］.中國激光，2015（7）：156-163.（LONG Jiangyou，WU Yingchao，GONG Dingwei，et al.Femtosecond laser fabricated super-hydrophobic copper surfaces and their anti-icing properties［J］.Chinese Journal of Lasers，2015（7）：156-163.）

［16］趙歡，呂曉璇，周圣文，等.金屬防護(hù)用超疏水表面主要制備方法及應(yīng)用研究進(jìn)展［J］.表面技術(shù)，2015，44（12）：49-55.（ZHAO Huan，LYU Xiaoxuan，ZHOU Shengwen，et al.Research progress in the preparation methods and applications of the superhydrophobic surface for metal protection［J］.Surface Technology，2015，44（12）：49-55.）

［17］Qian B，Shen Z.Fabrication of superhydrophobic surfaces by dislocation-selective chemical etching on aluminum，copper，and zinc substrates［J］.Langmuir the Acs Journal of Surfaces＆Colloids，2005，21（20）：9007.

［18］Guo Z，Zhou F，Hao J，et al.Stable biomimetic super-hydrophobic engineering materials［J］.Journal of the American Chemical Society，2005，127（45）：15670-15671.

［19］李艷峰，于志家，于躍飛，等.鋁合金基體上超疏水表面的制備［J］.高?；瘜W(xué)工程學(xué)報(bào)，2008，22（1）：6-10.（LI Yanfeng，YU Zhijia，YU Yuefei，et al.Fabrication of super-hydrophobic surfaces on aluminum alloy［J］. Journal of Chemical Engineering of Chinese Universities，2008，22（1）：6-10.）

［20］Jung S，Tiwari M K，Doan N V，et al.Mechanism of supercooled droplet freezing on surfaces［J］.Nature Communications，2012（3）：299-306.

［21］曹樹龍.銅材表面超疏水納米膜構(gòu)筑及抗凝露與滴狀冷凝性能研究［D］.蘇州：蘇州大學(xué)，2013.（CAO Shulong.Construction of superhydrophobic nanofilm on the surface of copper and studies on the performances of antidew and dropwise condensation［D］.Suzhou：Suzhou University，2013.）

［22］Liu X Y.A new kinetic model for three-dimensional heterogeneous nucleation［J］.Journal of Chemical Physics，1999，111（4）：1628-1635.

Experimental Study on Anti?icing Performance of Aluminium?based Super?hydrophobic Surface under Different Substrate Temperatures

Wu Weidong Wang Feifei Shen Rui Wang Delong
（Institute of Refrigeration and Cryogenics Engineering，University of Shanghai for Science and Technology，Shanghai，200093，China）

The anti-icing performance of a super-hydrophobic surface，which was aluminum-based surface prepared by an etching method，at different substrate temperatures of－15，－20，－25，－30℃ for both static and dynamic cryogenic liquid droplets were experimentally investigated under an ambient temperature of 20℃ and relative humidity of 60%.Results showed that the super-hydrophobic surface presented good anti-icing performance under both static and dynamic conditions of liquid droplets.In static liquid droplet anti-icing experiments，the freezing time of the super-hydrophobic surface decreased rapidly as the cold surface temperature was decreased.When the substrate temperature was－25℃，the anti-icing performance of the super-hydrophobic surface changed abruptly.The anti-icing performance of the super-hydrophobic surface worsened as the temperature of the cold surface decreased.In dynamic liquid droplet anti-icing experiments，at surface temperatures of－15 and－20℃，liquid drops were able to rapidly rebound off the low-temperature surface. When the surface temperature was－25 and－30℃，respectively，low-temperature liquid droplets froze quickly and were incapable of rebounding off the super-hydrophobic surface，i.e.，the super-hydrophobic surface lost the ability of anti-icing.Anti-icing mechanisms were analyzed according to the phase change nucleation theory.The research results are expected to provide a reference for the application of super-hydrophobic surfaces in outside heat exchangers for winter air conditioning.

aluminum-based super-hydrophobic surface；anti-icing

TQ051.5；TG174.4

：A

0253－4339（2017）03－0082－07

10.3969／j.issn.0253－4339.2017.03.082

武衛(wèi)東，男，副教授，上海理工大學(xué)制冷與低溫工程研究所，13917527018，E-mail：usstwwd＠163.com。研究方向：制冷新技術(shù)。

國家自然科學(xué)基金（51676129）資助項(xiàng)目。（The project was supported by the National Natural Science Foundation of China（No. 51676129）.）

2016年10月23日

About the corresponding author

Wu Weidong，male，associate professor，University of Shanghai for Science and Technology，Institute of Refrigeration and Cryogenic Engineering，＋86 13917527018，E-mail：usstwwd＠163. com.Research fields：new technology of refrigeration.