鄭強，丁昊昊，賀家豪，王文健,，郭俊，劉啟躍

（1.西南交通大學(xué) 唐山研究生院，河北 唐山 063000； 2.西南交通大學(xué) 機械工程學(xué)院，成都 610031）

目前中國高速列車技術(shù)日益成熟，高安全性、高可靠性、高穩(wěn)定性的形象早已眾人皆知，成為中國的新名片。在高寒地區(qū)，中國的列車運行同樣有條不紊。2012 年12 月1 日，世界上首條穿越高寒季節(jié)性凍土地區(qū)的高速鐵路——哈大鐵路通車，縱貫東北三省，截至2019 年12 月4 日，哈大高速鐵路累計安全穩(wěn)定運行4320 萬走行公里。此外，作為“八橫八縱”高速鐵路網(wǎng)最北“一橫”的骨架——世界最長的高寒地區(qū)哈佳鐵路在2018 年9 月開通，將兩地旅行時間縮短了3 小時40 分，極大地便利了兩地之間的經(jīng)濟合作與文化交流。面對高寒地區(qū)的高速列車面臨低溫、風(fēng)雪、霜凍等惡劣天氣的考驗，我國已經(jīng)積累了豐富的相關(guān)技術(shù)和運營經(jīng)驗，列車運行狀況基本平穩(wěn)，這為我國高寒地區(qū)及沿線市區(qū)經(jīng)濟發(fā)展做出突出貢獻。但列車在高寒地區(qū)運行時不可避免地會遭受強對流天氣的襲擊，列車服役溫度經(jīng)常低至零下四十度，使轉(zhuǎn)向架區(qū)域的結(jié)冰積雪現(xiàn)象極為頻繁，暴露在列車底部的轉(zhuǎn)向架區(qū)域結(jié)構(gòu)相當(dāng)復(fù)雜，在高速運行時會出現(xiàn)許多新的問題。L. KLOOW[1]系統(tǒng)研究了北歐及日本鐵道車輛冬季問題，現(xiàn)場調(diào)研結(jié)果顯示：日本上越新干線高崎以北的山區(qū)間和瑞士阿爾卑斯山地區(qū)登山鐵道的列車投入使用以來，相繼經(jīng)歷過制動閘瓦片、牽引電機、齒輪箱積雪結(jié)冰等影響轉(zhuǎn)向架正常使用的問題，在山區(qū)或隧道口尤為嚴重。雖然國內(nèi)外開展的相關(guān)研究很多[2-4]，但目前尚無根本的解決措施。

列車轉(zhuǎn)向架是保障鐵路車輛運行平穩(wěn)性和乘坐舒適性的重要部件，具有增加車輛載重、減少車體垂 直位移、改變列車運行方向等作用，滿足鐵路運輸快速發(fā)展的需要。因此，對轉(zhuǎn)向架區(qū)域進行系統(tǒng)的防冰雪設(shè)計，保障列車在高寒氣候條件下仍能安全運行具有重要意義。本文歸納總結(jié)了列車轉(zhuǎn)向架區(qū)域結(jié)冰積雪狀況和規(guī)律、影響因素及形成機理，綜述了國內(nèi)外解決轉(zhuǎn)向架結(jié)冰積雪問題在近年來的研究進展。此外，還探討了通過制備超疏水防冰雪涂層來融冰除雪的研究方向。

1 高速列車轉(zhuǎn)向架結(jié)冰積雪現(xiàn)象及成因分析

1.1 轉(zhuǎn)向架區(qū)域結(jié)冰積雪狀況與規(guī)律

為了減小高速行駛時的氣動阻力及降低噪音，高速列車采用的是流線型結(jié)構(gòu)設(shè)計，但轉(zhuǎn)向架內(nèi)部結(jié)構(gòu)大都與外界環(huán)境直接相通[5]。當(dāng)列車長時間在大風(fēng)降雪環(huán)境中高速運行時，由于氣流運動、局部壓差等原因，周圍空氣中的雪粒子不可避免地會進入轉(zhuǎn)向架區(qū)域。圖1 給出了三種常見的轉(zhuǎn)向架區(qū)域積雪結(jié)冰狀態(tài)。根據(jù)高寒鐵路段冬季運行過程中的實際情況，又可將轉(zhuǎn)向架區(qū)域結(jié)冰積雪狀況細分為五類，表1 給出了5 種狀態(tài)冰層的厚度及特點。其中，牽引電機等產(chǎn)熱部件主要是以局部少量冰雪狀態(tài)為主，而產(chǎn)熱部件附近部分會由于雪水融化后遇冷重新凍結(jié)，主要是以冰為主，冰層厚度普遍較厚；形成漩渦處構(gòu)架及其他雪花停留部分主要為較厚的雪層覆蓋狀態(tài)。

表1 高速列車轉(zhuǎn)向架區(qū)域積雪結(jié)冰狀態(tài)分類[4] Tab.1 Classification of Snow and ice on bogie area of high- speed rail[4]

1.2 影響轉(zhuǎn)向架區(qū)域結(jié)冰積雪狀態(tài)的因素

1.2.1 雪粒子在氣場中的運動情況

轉(zhuǎn)向架區(qū)域結(jié)冰積雪是雪粒子進入列車底部，并在轉(zhuǎn)向架區(qū)域聚積、融化、再凍結(jié)的過程。但雪粒子大小不一，形態(tài)各異，據(jù)統(tǒng)計，雪花的式樣有一萬多種，主要是由級狀、星狀、柱狀和針狀四種基本形狀組成[6]。這些基本形狀的雪花，互相組成了不同的花紋，甚至很復(fù)雜的雪花，高空中水蒸氣的分布及溫濕度的高低變化都會干擾雪花狀態(tài)。影響雪粒子在氣場中運動的參數(shù)因素包括粒子直徑、摩擦速度、粒子密度等，隨著下落過程中粒子直徑、雪粒密度或者摩擦速度的不斷變化，粒子的運動情況也隨之變復(fù)雜，因此真實地模擬其運動軌跡比較困難[7-8]。從力學(xué)角度分析，由于雪粒受浮力、氣動阻力及自身重力等多力作用[9]，在下降過程中各種力共同作用，造成接觸粘附并形成直徑較大的顆粒，當(dāng)降至列車底部區(qū)域時，雪粒會受到較大的氣動力，在氣流擾動的影響下產(chǎn)生較強的附著性，隨氣流流向轉(zhuǎn)向架區(qū)域并逐漸形成堆積。

1.2.2 轉(zhuǎn)向架底部流場情況

空間流線分布可以直觀顯示列車轉(zhuǎn)向架區(qū)域氣流的流向、流速及產(chǎn)生的漩渦狀況[9,11]。通過觀察分析轉(zhuǎn)向架底部流場分布，對提出可能結(jié)冰積雪的部位及轉(zhuǎn)向架結(jié)冰積雪狀態(tài)分布的研究具有十分重要的意義。以某型高寒列車三節(jié)車編組模型為例，整車分為頭車、中間車和尾車，每節(jié)車上均安裝有兩個轉(zhuǎn)向架，中間車上安裝的是動車轉(zhuǎn)向架，而頭、尾車安裝的是拖車轉(zhuǎn)向架。從表2 給出的描述可以看出，由于兩者結(jié)構(gòu)有明顯差異，導(dǎo)致流場結(jié)構(gòu)也有很大不同。從零件外形的角度來看，安裝在動車轉(zhuǎn)向架上的部件整體性更高，而拖車轉(zhuǎn)向架內(nèi)部有很多小的零部件及復(fù)雜結(jié)構(gòu)，因此拖車轉(zhuǎn)向架區(qū)域的流場結(jié)構(gòu)的復(fù)雜程度比動車轉(zhuǎn)向架區(qū)域要高得多，渦旋結(jié)構(gòu)更多，流線方向變化更大[10]。此外，由于重力的影響，在低速流場區(qū)域堆積雪粒的概率要比高速區(qū)高。因此，當(dāng)雪粒在進入列車轉(zhuǎn)向架附近低速流場后，發(fā)生堆積的現(xiàn)象更為常見。

中間車兩個動車轉(zhuǎn)向架區(qū)域雖然幾何外形相似，但流場結(jié)構(gòu)也有很大區(qū)別，如表3 所示。同一轉(zhuǎn)向架，中間車一位端要比二位端的阻力大得多，流場結(jié)構(gòu)也更加復(fù)雜，流線形狀更加多變。相比而言，中間車二位端受氣動阻力的影響小，流場結(jié)構(gòu)較簡單，流線走向更加明確，產(chǎn)生的漩渦結(jié)構(gòu)較小[11]。

1.2.3 轉(zhuǎn)向架底部壓差

列車運行過程中遇到大風(fēng)降雪天氣時，會在頭車一位端轉(zhuǎn)向架產(chǎn)生較大的正壓區(qū)，主要是氣流直接上揚作用在運行方向前端轉(zhuǎn)向架所致，此時雪粒子隨氣流快速運動不易粘附在轉(zhuǎn)向架上。但經(jīng)過正壓區(qū)的氣流不會停止流動，而是有一部分夾雜著雪粒子越過轉(zhuǎn)向架前軸繼續(xù)向轉(zhuǎn)向架內(nèi)部區(qū)域移動。轉(zhuǎn)向架內(nèi)部復(fù)雜的結(jié)構(gòu)會阻礙氣流運動，存在的極值較大，低壓區(qū)會限制氣流運動速率，從而增加雪粒子的粘附。中間車轉(zhuǎn)向架附近由于氣流揚起作用產(chǎn)生的影響不太明顯，存在的低壓區(qū)差值相對均勻[1,12]。因此，在列車高速運行過程中，受風(fēng)雪兩相的影響，轉(zhuǎn)向架底部氣流的運動速率差別很大，各區(qū)域存在較大的壓力差，低壓區(qū)比高壓區(qū)的積雪堆積總量占比更大，嚴重的堆積現(xiàn)象影響轉(zhuǎn)向架的正常使用，使列車行車存在安全隱患。

表3 中間車（動車）一位端與二位端流場結(jié)構(gòu)及流線方向比較 Tab.3 Comparison of flow field structure and streamline direction between middle train (power car) ‘A’ end of train and ‘B’ end of train

1.3 轉(zhuǎn)向架區(qū)域結(jié)冰積雪形成機理

高速列車在冬季降雪天氣運行時產(chǎn)生的列車風(fēng)和尾流，會使轉(zhuǎn)向架區(qū)域形成復(fù)雜的氣流運動，能將軌道上的積雪及周圍雪粒卷入轉(zhuǎn)向架內(nèi)部，隨氣流運動的雪粒會在內(nèi)部低壓區(qū)聚集、粘附，進而形成堆積。在高速列車運行過程中轉(zhuǎn)向架上的產(chǎn)熱部件產(chǎn)生熱量時，會把堆積在這一區(qū)域的雪粒融化成雪水。雪水受重力作用就會順著部件表面往下流動，當(dāng)流動到脫離熱源的雪水碰到車底的冷氣流時，受附近的冷氣流影響雪水又會被凍結(jié)成冰，使轉(zhuǎn)向架區(qū)域的結(jié)冰積雪隨列車運行時間的增長越積越多，最終導(dǎo)致列車啟動瞬時力矩過大、平穩(wěn)性降低、制動部件失效等，惡化車輛動力學(xué)性能，致使運行出現(xiàn)故障，可能導(dǎo)致事故發(fā)生[5,20]。同時，對列車的設(shè)備維護及檢修作業(yè)也造成很大挑戰(zhàn)。

2 國內(nèi)外轉(zhuǎn)向架區(qū)域除冰雪方法及研究發(fā)展現(xiàn)狀

2.1 傳統(tǒng)方式

傳統(tǒng)對轉(zhuǎn)向架表面除冰融雪的方法有機械除冰法、化學(xué)除冰法和加熱除冰法[13-14]。機械法是通過機械器件直接除冰，按作用方式分為振動式、擊打式、鏟剁式、水射式等類型?；瘜W(xué)除冰法是將化學(xué)藥劑噴灑在鐵道車輛轉(zhuǎn)向架表面，利用除冰劑的化學(xué)成分使冰雪融化進行除冰。加熱除冰法是最常用的一種方法，它包括熱風(fēng)除冰法、熱水除冰法、紅外線加熱除冰法和電磁加熱除冰法。這些方式雖然行之有效，但普遍存在著效率低下、污染環(huán)境、效果不佳等諸多缺陷，并不是解決轉(zhuǎn)向架除冰融雪問題的高效措施。

2.2 國外防冰雪技術(shù)應(yīng)用

北歐、環(huán)北太平洋等地處高寒地區(qū)的國家鐵路運輸行業(yè)，一直遭受著冬季轉(zhuǎn)向架結(jié)冰積雪的難題，各國的研究學(xué)者們在如何有效防止結(jié)冰積雪和快速融冰除雪等方面做了很多的科研工作，開發(fā)了一些防冰雪和除冰雪的方法，并配備了相應(yīng)的設(shè)備設(shè)施，來克服冬季高寒地區(qū)惡劣天氣對鐵路運輸業(yè)的障礙。

為了緩解冬季高頻極端天氣對高速列車帶來的難題，俄羅斯鐵路部門采取了軌道除雪、預(yù)防積雪和車輛入庫除雪等多種方法綜合治理的方式[4]。日本作為冬季多雪的國家，處于頻繁降雪區(qū)的新干線在應(yīng)對許多次大的冰雪災(zāi)害中，采取了各種措施來預(yù)防列車和隧道軌道積雪，主要是對鐵路車輛轉(zhuǎn)向架進行抗高寒抗冰雪改造、軌道和隧道進行除雪、隧道內(nèi)部預(yù)防冰溜等[15]。而對于列車轉(zhuǎn)向架區(qū)域的抗寒抗冰雪改造，主要是將懸掛在車底的零件用鋼板加以覆蓋，保證車底的大部分關(guān)鍵部件不受冰雪的影響而導(dǎo)致機械性能下降。此外，還對一些電氣設(shè)備和發(fā)熱部件進行了防水處理，從源頭上解決水滴遇冷重新結(jié)冰造成設(shè)備故障。對于鐵道線路和隧道的融雪除冰問題，設(shè)置了流雪溝自然導(dǎo)出融化雪水，并利用除雪車、熱水噴淋裝置、熱力式融冰設(shè)備等各種現(xiàn)代化的除雪設(shè)施及時清理線路，用以滿足列車正常運行需要。

芬蘭的赫爾辛基在轉(zhuǎn)向架和底架區(qū)域使用金屬多孔管的裝置，如圖2 所示，這些多孔管與熱水管相連，為列車轉(zhuǎn)向架區(qū)域提供融冰水，每個轉(zhuǎn)向架通常需要使用兩個管路進行噴灑。此套裝置一般需要30 min 來設(shè)置系統(tǒng)，并且需要兩名工作人員同時進行操作。圖3 為位于瑞典北部地區(qū)的蘇瓦帕瓦拉市建立的熱風(fēng)融冰房，入口和出口均設(shè)有閥門，利用點燃的液化丙烷氣體進行加熱，一般這種液化石油氣都是利用油罐車進行儲存。加熱以后管道的熱空氣融除列車正中央的冰雪，而管道兩邊稍向后彎曲的地方則噴射 熱空氣來加熱車體的前面和側(cè)面。融化的冰雪通過軌道時被儲存箱收集，而多余的熱量則被天花板和回收裝置回收到加熱系統(tǒng)中。在融冰過程中，熱風(fēng)的溫度為200 ℃左右，熱管風(fēng)速為30 m/s，燃燒器功率為1.8 MW[16]。

2.3 國內(nèi)除冰雪技術(shù)發(fā)展

中國北方冬季一些地區(qū)列車服役環(huán)境惡劣的實際情況，對高速列車轉(zhuǎn)向架的服役性能提出了新的考驗。為此，鐵路總公司組織成立了由多個科研院所、專業(yè)公司、機車車輛廠、鐵路設(shè)計院組成的技術(shù)攻關(guān)團隊，針對高速列車轉(zhuǎn)向架結(jié)冰積雪問題，對高寒鐵路及高寒列車轉(zhuǎn)向架進行了防冰雪設(shè)計研究，成功研制了一批防結(jié)冰作業(yè)方式及高效融冰除雪裝置，滿足高速列車的使用需求，有效保證高寒地區(qū)在冬季正常通車[17]。

轉(zhuǎn)向架特殊零部件的防冰雪措施對于列車安全運行至關(guān)重要。徐芳等[18]設(shè)計出兩種利用熱縮橡膠性能安裝的彈簧防冰雪裝置，安裝簡便，無需復(fù)雜的連接結(jié)構(gòu)，經(jīng)過冬季的考驗證明可以有效防止轉(zhuǎn)向架內(nèi)部積雪堆積問題，保證車輛運行安全及穩(wěn)定。辛志強等[19]提出了基礎(chǔ)制動防冰雪吹風(fēng)系統(tǒng)方案，通過型式試驗和環(huán)境模擬試驗表明，能夠切實有效地改善高寒地區(qū)高速列車運行過程中制動裝置的異常甚至失效的情況，解決制動盤異常損耗的問題。李俊民等[20]針對降雪天氣列車轉(zhuǎn)向架車下設(shè)備艙導(dǎo)流罩處的覆冰現(xiàn)象，給某車型的導(dǎo)流罩結(jié)構(gòu)進行設(shè)計改進，改善 導(dǎo)流罩區(qū)域的流場狀況，有效減小該區(qū)域進風(fēng)量。對轉(zhuǎn)向架特殊零部件的防冰雪設(shè)計研究，歸納總結(jié)各類復(fù)雜結(jié)構(gòu)除冰雪不同的處理方式，是找出轉(zhuǎn)向架易結(jié)冰區(qū)域和總體防護設(shè)計的有效途徑。

3 超疏水材料在防冰雪方面的應(yīng)用

3.1 超疏水材料的疏水融冰性能

近些年來，新型材料的研發(fā)及表面技術(shù)有了新的進展，“超疏水材料”概念被提出。超疏水材料本身就具有高接觸角與低滾動角，可以減小水滴在材料表面的接觸面積，從而有效減少水滴與材料表面的接觸時間，讓水滴盡快滑落機體表面，避免了水滴與機體表面進行熱傳導(dǎo)而結(jié)冰[21]。如圖4 所示，自然界中擁有類似于超疏水表面的生物十分常見，例如一些昆蟲的絨毛、植物的葉片、動物的皮表面等。超疏水材料的疏水性能是滿足要求的低表面能表面及表面微/納米級粗糙結(jié)構(gòu)兩個方面的因素共同作用的結(jié)果。表面能低于100 dynes/cm 的材料稱為低表面能材料[24]，不同物質(zhì)的表面能見圖5，有機硅材料的表面能在20～ 25 dynes/cm 范圍之內(nèi)，含氟化合物材料的表面能在15～20 dynes/cm 范圍之內(nèi)。相比其他材料，兩者具有較低的表面能，疏水融冰性能很好，冰雪的附著強度也較低[26]。此外，超疏水材料具有的微/納米級粗糙結(jié)構(gòu)（見圖6），能夠延緩與基體表面進行熱量傳遞，從而對水滴延緩結(jié)冰及加速冰雪整體凍結(jié)前脫離材料表面有很大的作用。

3.2 低表面能表面及微/納米粗糙結(jié)構(gòu)的制備方式

低表面能物質(zhì)會大大降低在基體表面液滴的附著力及冰雪的粘結(jié)強度。近年來，基于降低材料表面能的目的，合成低表面能材料技術(shù)在制備方式上取得了豐碩的成果，在科學(xué)研究和生產(chǎn)生活等諸多領(lǐng)域中具有廣泛的應(yīng)用[25-29]。目前的研究大多通過化學(xué)方法改性材料表面的組成來降低材料表面的自由能，增加靜態(tài)接觸角使基體呈現(xiàn)出高的疏水性。A. J. KESSMAN等[27]通過溶膠-凝膠法利用氟硅烷與硅醇鹽的共聚縮合反應(yīng)合成疏水-疏油性二氧化硅薄膜，這種方法通常會使固-氣界面層富集氟化部分，這是由于這些復(fù)合物中含氟的成分的熱力學(xué)驅(qū)動遷移到低表面能界面。涂層在開始時的浸潤性非常差，并且表面能較低，但是在受到摩擦磨損而暴露表面后，薄膜的功能將大大降低。為了解決這個問題，用氟硅烷充當(dāng)模板輔助表面活性劑，顯著降低水的表面張力，作為硅醇鹽涂層框架內(nèi)的細觀分散相，使涂層即使在受到磨損后也能保持較差的濕潤功能。S. W. CHO 等[28]通過將微米級棒狀粗糙結(jié)構(gòu)的硅表面與表面氟碳薄膜的沉積相結(jié)合，成功實現(xiàn)了超疏水性硅表面的制備。圖7 顯示出了具有不同長寬比的微米級棒狀結(jié)構(gòu)的硅表面有無氟碳膜的接觸角大小對比，可以看出，裸硅表面與沉積氟碳膜的硅表面的接觸角相差約70°，沉積氟碳膜的硅表面達到了疏水接觸角，因此氟碳薄膜可以大幅增加材料表面的疏水性。值得注意的是，圖7b 的平面表示只在硅表面沉積氟碳薄膜，而沒有微米級的粗糙結(jié)構(gòu)，通過其與復(fù)合涂層表面對比可以得出，添加微米級粗糙結(jié)構(gòu)可以使接觸角提高至少24°。當(dāng)氟碳薄膜沉積在這些表面上時，隨著微米級棒狀結(jié)構(gòu)的長寬比增加至1.5，接觸角從95°左右增加到165°，此后保持近似恒定。因此，使用傳統(tǒng)的等離子刻蝕法進行表面微結(jié)構(gòu)粗糙化是實現(xiàn)低表面能表面的一種實用方法。R. V. LAKSHMI 等[29]將甲基三乙氧基硅烷（MTEOS）在酸催化的溶膠中分別加入不同徑粒的納米二氧化硅微粒，制造超疏水性的納米復(fù)合材料，再通過添加氟烷基硅烷作為疏水劑進行改性處理，結(jié)果如圖8 所示，可以看出制備的四種涂層的接觸角隨二氧化硅納米粒子濃度的增加而增加，最佳的二氧化硅質(zhì)量分數(shù)約為8.6%，此時所有涂層均開始顯現(xiàn)出超疏水性。兩種含有氟烷基硅烷溶液的二氧化硅納米微粒含量為0%（質(zhì)量分數(shù)）時，接觸角比無氟烷基硅烷的溶液要高出約16°～18°，說明氟烷基硅烷的引入進一步提高了涂層的疏水性能。當(dāng)涂層具有160°的接觸角、滾動角小于 2°且在自然環(huán)境條件下儲存時，發(fā)現(xiàn)制備的涂層可以保持疏水性能穩(wěn)定超過一年。由此可推斷出，含氟化合物和有機硅材料能夠有效降低水滴的附著性。

基體表面的微/納米級粗糙結(jié)構(gòu)在轉(zhuǎn)向架區(qū)域防結(jié)冰方面的作用，主要表現(xiàn)為減小基體與水滴的接觸面積，避免水滴的浸潤，從而加快水滴脫離。需要注意的是，粗糙度在超疏水材料的疏水效果中起到的作用比低表面能更加明顯。構(gòu)造粗糙結(jié)構(gòu)的方法主要包括化學(xué)腐蝕法、溶膠-凝膠法、模板法、電噴涂法和 靜電紡絲法等[30-35]。LI 等[36]首先利用化學(xué)腐蝕法在La(NO3)3水溶液中進行簡單的水熱處理制備納米結(jié)構(gòu)，在2024 型鋁表面形成了超親水表面，然后采用低表面能化合物十二氟庚基丙基三甲氧基硅烷對2024 型鋁進行表面改性，使其表面性質(zhì)由超親水性轉(zhuǎn)變?yōu)槌杷裕憩F(xiàn)出優(yōu)異的超疏水性能，靜態(tài)水接觸角為160°。此外，所制備的超疏水表面在空氣中儲存及熱環(huán)境下具有高的穩(wěn)定性，并且具有很強的抗紫外輻射、耐腐蝕和耐磨性。董偉等[37]通過使用溶膠- 凝膠工藝，利用甲基三乙氧基硅烷（MTES）和正硅酸乙酯（TEOS）共同改性處理聚對苯二甲酸乙二醇酯（PET）材料形成MT-PET 超疏水性表面，靜態(tài)接觸角達到158.8°左右。模板法適用于制備聚合物基體的超疏水表面，B. ZHOU 等[38]將具有超疏水性質(zhì)的生物微結(jié)構(gòu)作為模板，聚二甲基硅氧烷（PDMS）為疏水劑，在基體表面復(fù)制獲得了類似于生物模板的粗糙結(jié)構(gòu)。靜電紡絲是產(chǎn)生直徑在微米至納米范圍內(nèi)的連續(xù)聚合物串的最簡單和最有用的技術(shù)之一[39]，該聚合物串累積可形成具有特征性表面粗糙度的表面結(jié)構(gòu)[40]。A. K. AN 等[41]利用靜電紡絲法制備了聚偏氟乙烯-六氟丙烯（E-PH）電紡薄膜。實驗測量結(jié)果表明，E-PH 電紡薄膜的靜態(tài)接觸角為155.4°，表面粗糙度為1285 nm，二者均顯著增強。LIN 等[42]將含氟二氧化硅納米粒子噴涂在基體表面來制備聚偏氟乙烯（PVDF）超疏水薄膜，表征結(jié)果顯示，改性PVDF膜具有優(yōu)異的超疏水性，表面含氟的納米二氧化硅粒子使超疏水薄膜的接觸角高達172°左右，并且在熱水、強酸強堿、超聲波和高速沖洗等惡劣條件下，保持了相對穩(wěn)定的超疏水性。

盡管上述方法都是構(gòu)造表面粗糙結(jié)構(gòu)的基本方法，但各自的優(yōu)劣勢十分明顯。化學(xué)腐蝕法成本低，產(chǎn)生的改性表面接觸角很高并且疏水融冰效果良好，但通常是危險系數(shù)較高、環(huán)保性差的強酸強堿作為腐蝕液且需要二次改性處理，限制了其成為制備超疏水表面未來的發(fā)展方向[36,43]。溶膠-凝膠法通過調(diào)控各物質(zhì)的物質(zhì)的量之比，獲得不同微觀形貌的表面粗糙結(jié)構(gòu)，可適用于制備新型材料并且擁有很好的抗腐蝕效果，缺點是制作周期較長[27,37]。模板法利用傳統(tǒng)機械加工工藝，操作簡單無需后續(xù)改性處理[38,43]。電噴涂法與靜電紡絲法相似，不一樣的是，靜電紡絲與纖維有關(guān)，而電噴涂用于生產(chǎn)介于固體小滴和細絲之間的薄膜[44]，這些方法并不是很昂貴，但是難以制造大規(guī)模的超疏水性涂層。將靜電紡絲技術(shù)與電噴涂技術(shù)相結(jié)合，可進一步制備疏水性能更好的微納米復(fù)合材料。

3.3 金屬基體表面防冰雪的應(yīng)用

當(dāng)運行在高寒地區(qū)的高速列車遇到降雪天氣，冰雪堆積在轉(zhuǎn)向架區(qū)域被電機等發(fā)熱部件融化成雪水時，一個更有效的措施是防止冰的形成而不是阻止冰的堆積，超疏水材料可以使基體表面快速而有效地脫離水滴，避免雪水受周圍冷空氣影響再次凍結(jié)成冰。因此，制作仿生超疏水材料的研究是當(dāng)前的熱點方向，眾多鐵路運輸工作者從降低冰雪在金屬基體表面的附著力和延緩水滴的結(jié)冰時間兩方面著手，都在開展相關(guān)的工作[45-63]。首先，降低冰層在基體表面的附著力，對防止冰雪的堆積影響顯著。Y. H. YEONG 等[47]首先在鋁母材上進行激光微變形，然后分別利用不同類型的氟乙烯-丙烯（FEP）進行熱壓處理，研究FEP熱壓處理后的微激光變形鋁材表面的覆冰狀況。結(jié)果證明，F(xiàn)EP 薄膜的微結(jié)構(gòu)壓紋程度取決于三個參數(shù)：壓紋質(zhì)量/壓力、壓紋時間和壓紋溫度，當(dāng)壓紋質(zhì)量/壓力和持續(xù)時間分別固定為2 kg/30 kPa 和5 min、壓紋溫度設(shè)定為310 ℃時，所得鋁基材表面是超疏水的。覆冰實驗顯示，制備的超疏水表面冰塊分離的平均強度約為20 kPa，小于鋁基板冰分離強度的2%及光滑無紋FEP 板冰分離強度的33%，是在表4 給出的各研究人員數(shù)據(jù)記錄的超疏水冰附著強度中最低的之一。然而由于使用的金屬基體材料的不同，表面形貌、導(dǎo)熱性能等存在明顯差異，因此冰層在轉(zhuǎn)向架表面的附著強度相比于在鋁表面也會有差別。至于差別是否大到會影響其在轉(zhuǎn)向架區(qū)域的疏水融冰性能，有待通過使用轉(zhuǎn)向架材料開展進一步研究。其存在的缺陷是，不同表面張力液體對超疏水薄板的潤濕性研究顯示，當(dāng)液體表面張力低于68 mN/m 時，超疏水性能就會喪失。關(guān)于降低冰雪附著強度的研究主要停留在對表面張力存在局面性階段，仍需要開展進一步的研究探索和試驗驗證。

控制金屬基表面結(jié)冰時間也是區(qū)域防冰雪的重要影響因素。J. KIM 等[59]為了定量分析超疏水涂層表面與未涂覆涂層鋁合金表面的防冰特性，在多種操作條件下通過將液滴置于鋁合金表面，對表面的延緩結(jié)冰特性進行了實驗研究。使用實驗結(jié)果計算凍結(jié)延遲時間，再采用隨機抽樣方法進行分析。此外，提出了在宏觀水平上初始冰核的形成時間和凍結(jié)傳播速度作為表面防覆冰特性的量度，通過初始的冰核形成時間定量地證實了超疏水表面的優(yōu)異延遲結(jié)冰性能，該時間被延遲了22%～92%，而凍結(jié)傳播速度則降低了17%～30%。Y. Z. SHEN 等[60]設(shè)計并制造了一種高性能的超疏水性氟化二氧化硅聚二甲基硅氧烷（F-SiO2@PDMS）涂層，改善冰與基材的粘合強度并保持高延緩結(jié)冰性能。試驗結(jié)果表明，與聚二甲基硅氧烷（PDMS）涂層和無涂層鋁基材的冰凍延遲時間分別為81.9 s 和4.8 s 相比，F(xiàn)-SiO2@PDMS 超疏水涂層顯示出更長的時間（276.2 s）。這些結(jié)果的主要原因有以下兩個：首先，超疏水的F-SiO2@PDMS 涂層具有明顯的低表面能和表面粗糙結(jié)構(gòu)，大大減少了水滴和基材表面之間的接觸面積；第二，超疏水涂層達到Cassie-Baxter 潤濕狀態(tài)，并且可能陷入在水滴下的具有0.024 W/(m·K)超低導(dǎo)熱系數(shù)的大量氣穴中[61]，從而顯現(xiàn)出更長的結(jié)冰時間。此外，結(jié)冰延遲時間主要取決于預(yù)冷卻過程，如圖9 所示。從預(yù)冷時間來看，F(xiàn)-SiO2@PDMS 超疏水涂層約為250 s，遠超PDMS涂層和無涂層鋁基表面；開始結(jié)冰時間方面，無涂層鋁基材表面所需時間最短，而其余兩者相差并不懸殊。最后的結(jié)果是，復(fù)合涂層的完全結(jié)冰時間比其余兩組涂層長的多。從以上結(jié)果分析可以得出，復(fù)合材料涂層在延緩結(jié)冰方面顯示出巨大潛力。HEYDARIG等[62]采用液體火焰噴涂（LFS）技術(shù)在基體表面沉積二氧化鈦納米顆粒，制備出多尺度的粗糙度，隨后通過施加等離子體聚合物薄層使涂層變成非極性。通過在–4 ℃和–7 ℃溫度下的驗證實驗，發(fā)現(xiàn)這種超疏水表面也具有延遲結(jié)冰的效果，而且在冷卻過程中，粗糙度越大的基體，表面接觸角越高，這同時驗證了粗糙度對超疏水表面的影響。然而，考慮實際環(huán)境和摩 擦磨損等因素，在應(yīng)對轉(zhuǎn)向架區(qū)域惡劣的使用條件時，這種涂層延遲結(jié)冰性能的穩(wěn)定性是否持續(xù)高效仍需進一步改進和驗證。

綜上所述，超疏水材料對金屬基體表面防冰工作有很好的效果，低表面能材料與在基體表面構(gòu)造的微/納米級粗糙結(jié)構(gòu)結(jié)合在一起，對降低冰的附著力及延緩結(jié)冰有明顯作用。目前，常用于制造金屬基表面防覆冰積雪超疏水涂層的基本原料，包括含氟化合物、含硅化合物、納米硅顆粒、碳納顆粒等，越來越多新型材料的出現(xiàn)為基材防冰雪提供了新的研究思路。

與傳統(tǒng)的金屬基體表面融冰除雪方法相比，涂覆超疏水涂層達到防冰雪目的的方式具有性價比高、施工簡單、節(jié)能環(huán)保等獨特的優(yōu)勢，已經(jīng)在公路路面防結(jié)冰積雪、高壓電氣設(shè)備防冰閃、去除飛機表面冰霜積雪和汽車表面制造等領(lǐng)域都獲得了應(yīng)用[63-66]。不過，雖然大量數(shù)據(jù)已經(jīng)證實超疏水表面具有降低冰附著力、延緩結(jié)冰的作用，但利用超疏水材料實現(xiàn)防結(jié)冰和防積雪差別很大，從表面界面角度來說，前者屬于固-液界面問題，后者屬于固-固界面問題，固-液界面和固-固界面的潤濕方式非常復(fù)雜，并且取決于許多因素，例如尺寸、形態(tài)、溫度等[60]，低能表面固體與液體接觸后，液體會收縮來降低系統(tǒng)表面能，使固體表面不易被潤濕，而固體與冰雪之間粘附界面的穩(wěn)定性隨結(jié)冰過程中產(chǎn)生的相變膨脹力變化而變化[67]。并且由于列車轉(zhuǎn)向架要在高速高寒、風(fēng)雪低溫等苛刻環(huán)境下長時間持續(xù)運行，在復(fù)雜的實際工況下要起到既防冰又防雪的效果，對所需設(shè)計的超疏水涂層提出了更高的標準。到目前為止，在轉(zhuǎn)向架區(qū)域構(gòu)造表面粗糙結(jié)構(gòu)獲得超疏水性能的涂層以提高防結(jié)冰、防積雪的運用方面，還沒有從實驗研究邁向?qū)嶋H中來，但結(jié)合已有的研究成果，對制備工藝展開深入研究，未來有望成為轉(zhuǎn)向架防冰的導(dǎo)向。

4 總結(jié)和展望

高寒地區(qū)列車轉(zhuǎn)向架防冰雪一直是鐵路運輸業(yè)亟待解決的難題，目前尚無高效解決的方案。本文對國內(nèi)外轉(zhuǎn)向架區(qū)域防冰雪研究方法、技術(shù)應(yīng)用及超疏水材料的疏水性能進行了分析，對今后高寒列車組轉(zhuǎn)向架區(qū)域除冰雪的科學(xué)研究提供了重要的理論參考。從本文的綜述內(nèi)容來看，完全解決該問題還有很長的路要走，根據(jù)目前的研究狀況，融冰除雪技術(shù)未來可從減少冰雪進入轉(zhuǎn)向架方面考慮，進一步改善列車轉(zhuǎn)向架區(qū)域的流場狀況。

此外，在未來可加大開展對新型材料的開發(fā)和表面技術(shù)的研究，利用各種新型材料的特有屬性并加以組合，制造可以涂覆在轉(zhuǎn)向架表面的功能涂層，使轉(zhuǎn)向架材料在保持良好的機械性能的前提下具有更好的防冰雪效果，這樣可以取代污染環(huán)境的化學(xué)除冰、費用高的大型機械除冰的試驗研究。但在材料的選擇、涂層的制備及后續(xù)處理方面，還需深入研究解決。特別是列車要在惡劣環(huán)境條件下高速運行，要同時起到轉(zhuǎn)向架區(qū)域防冰和防雪的效果，又須滿足列車的各項安全性能指標，對超疏水材料的研究提出了新的挑戰(zhàn)。