0 前言

冰给交通运输、电力、建筑及农业等工业领域带来许多问题：易导致严重的交通事故，使风电叶片运转困难而影响叶片能量输出，破坏电线及庄稼，使飞机引擎、轮船和空调系统等停止运行，从而给社会稳定造成了严重危害。因此，开展防覆冰技术研究对提高电力系统的安全运行具有重要价值。

1 防覆冰技术

1.1 研究现状

防覆冰技术的开发可追溯到20世纪50年代末期。迄今为止，国内外通常采用的除冰方法主要有涂撒防结冰剂、机械除冰、热力除冰、自然被动除冰法等。

（1）涂撒防结冰剂：对基材表面涂撒防结冰剂，目的是降低冰点。防结冰剂一般是液体或盐类，对土壤有污染和腐蚀性，只能临时涂撒，时效较短。防结冰剂主要用于路面除冰，并且效果明显。
（2）机械除冰：采用适当的除冰机械和设施进行除冰。其特点是运行成本低、能耗小，但效率低、操作困难且受天气和地形等限制，故只能作为一种应急方法，难以大范围推广应用。

（3）热力除冰：通过附加热源（或其自身热源）使材料表面温度维持在冰点以上，从而达到防覆冰的目的。该方法效果较明显，但能耗大、设备投资成本高且使用范围较小，不适用于远距离除冰。
（4）自然被动除冰：利用风和自然力的作用，再辅以恰当的人工设备（例如在导线上安装阻雪环、平衡锤等装置），使冰不易聚结而自行脱落，从而起到防覆冰的作用。该方法简单易行、成本低，但在地理环境方面有一定的局限性，不能全面防止输电线路覆冰的危害。

（5）其他除冰方法：如电场（或磁场）除冰、碰撞前颗粒冻结、超声技术和电晕技术等。

上述防覆冰的方法都存在一定的局限性，本研究将综述防覆冰超疏水性涂层的相关技术与方法研究，突出以防为主，以方便、高效、节能和经济为目的，旨在为相关研究提供有效参考。

1.2 防覆冰性与超疏水表面

大量试验和理论研究表明：冰的附着减少与超疏水表面有一定的关联性，超疏水表面可以防止过冷水形成冰，具有防覆冰性。超疏水性表面的特征是高水接触角（通常>150°）和低接触角滞后（或液滴滚动角，通常<10°）。超疏水表面除了具有显著的疏水性以外，还可减少雪和冰在其表面的聚集，甚至可以完全防止固体表面结冰。

1.2.1 防覆冰原理

防覆冰涂层是指冰不易（或不能）牢固黏附的涂层，其可减少（或阻滞）冰在材料表面的凝结、黏附和累积，使冰更易除去，但不能完全阻止结冰。材料表面结冰的3 个必要条件：①大气中必须

有足够的过冷水滴；②过冷水滴被材料表面捕获；③过冷水在离开材料表面前结冰。水在低温时的结冰是不可改变的物理现象，故防止结冰的佳办法就是使水在结冰前尽可能快的离开材料表面，从而达到防止结冰的目的。

涂料防覆冰的原理可简单归结为不易结冰和易于除冰。前者是水在涂层表面呈珠状分布，减小了水与底材的接触面积（其结果之一是水向温度更低的底材之有效传热面积减少，水以液态形式存在的时间被延长了；其结果之二是液态水珠在有一定倾斜度的表面上附着不牢，在结冰前从表面滑落）。后者是冰与涂层表面的附着力降低，冰与底材表面的接触面积急剧下降，促使冰极易在自然力（如重力、风和振动等）作用下从表面滑落。
1.2.2 超疏水表面

Barthlott等从微观方面揭示了荷花“出淤泥而不染”的自洁机制。研究表明：荷叶表面独特的表面微纳米结构与化学蜡状物的完美结合是“荷叶效应”的真正原因。这种独特结构可形成极大静态水接触角和极小水接触角滞后（或液滴滚动角），这种表面便于水珠形成，使之轻易滚动并带走表面上的污染物，从而达到自洁的目的。

液体对固体的润湿是常见的界面现象，润湿性是固体表面的一个重要特性。通常液体对固体的润湿性可用接触角来表示：接触角>90°的表面为疏水表面，接触角>150°的表面为超疏水表面。有关

研究结果表明：固体表面润湿性由表面化学组成和表面粗糙度这两个因素共同决定。目前，超疏水表面采用两种方法制备。一是在具有一定粗糙度的表面上修饰低表面能物质，另一种是利用低表面能材料构建粗糙度。例如，可通过表面处理制备碳纳米管（CNTs）阵列、CNTs 纤维和聚合物纳米纤维等多种超疏水表面。制备超疏水固体表面粗糙结构的方法主要有平版印刷法、等离子体刻蚀法、溶胶-凝胶法、化学气相沉积法、相分离法和模板法等几种。典型的低表面能材料是有机硅、氟树脂及其相应的改性树脂等，上述材料在制备疏水性表面方面具有很重要的作用。

1.3 超疏水涂料研究进展

纳米复合材料超疏水涂料具有防覆冰性。只要复合材料中纳米颗粒的尺寸合适，则其涂料无论是在试验条件下还是在自然环境中都可有效防止过冷水形成冰。
Cao等采用粒子填充法将不同粒径的有机硅烷改性SiO2颗粒引入到聚合物基体中，制备了超疏水复合纳米聚合物，并在冰雨条件下研究了过冷水的动态影响。研究表明：决定超疏水性和防覆冰性的临界颗粒大小并不相同；当纳米粒子的粒径<100 nm时，水珠在结冰前仍从底材上滚落；而当粒径>100 nm 时，水珠就会结冰。这是因为粒径较大的纳米粒子降低了自由能垒，有利于结冰；相反，粒径较小的纳米粒子因易形成粗糙的超疏水表面而不能形成冰核，故水滴在结冰前滚落（减少了结冰）。过冷水在超疏水表面上结冰是一个复杂的现象，这与冰的附着力、流体动力学条件及表面水膜的结构有关，这些因素对冰冻的影响需进一步研究。Menini 等[21]将硅纳米颗粒嵌入EP（环氧树脂）中制备了超疏水风电叶片涂料（其水接触角在152°左右，接触角滞后低于2°，滚动角在0.5°左右），并对含该涂层和不含涂层的叶片表面就表面形貌、粗糙度和成分等进行了比较。

Varanasi等通过光刻蚀法制备了阵列柱状疏水硅表面，再在其表面覆盖了1层1H，1H，2H，2H-全氟辛基甲基三氯硅烷薄膜制得超疏水表面，并研究了此超疏水表面上霜的形成及其对表面防覆冰性的影响。研究结果表明：超疏水表面上冰的附着力受霜的影响较大；任意部位都可结霜，无空间优先性（如顶部、侧壁及凹处等），结霜后表面失去超疏水性，故进行防覆冰表面设计需考虑结霜问题。
Karmouch 等采用蚀刻法制备了Al2O3/PTFE（聚四氟乙烯）防覆冰涂料（水接触角130°~140°），并用离心附着力测试法评估了其防覆冰性。研究表明：与平滑的PTFE 相比，该涂层的冰附着力降低了2.5 倍；该涂层经覆冰脱落试验后仍能保持活性，但其力学性能与防覆冰性的平衡性问题仍需进一步研究。
Zheng等通过丙酮修饰CNTs的方法制备了超疏水和冲击防覆冰的CNTs 薄膜（接触角约170°），并通过液滴低速碰撞表面的动力学行为评估了其防覆冰性。研究表明：在室温（或冰冻条件）下，液滴在丙酮修饰的CNTs 底材上弹起，故该薄膜具有防覆冰性。Jung等[25]研究了过冷水（-20 ℃）在涂覆和不涂覆的亲水和超疏水表面上的结冰碰撞行为，并评估了其防覆冰性。研究表明：与未处理的铝板相比，所有的样板均表现出明显的结冰延迟现象，但未处理的亲水硅片和2种亲水的超纳米金刚石涂层（粗糙度1.4~6 nm）的结冰延迟时间相对长；疏水表面抗冰性比粗糙的亲水表面强，粗糙度和临界晶核半径接近的亲水表面比典型的超疏水表面具有更强的防覆冰性（即结冰延迟时间高一个数量级）。因此，该研究认为超疏水表面并不是防覆冰的佳选择，对具体防覆冰工艺应采用结冰延迟试验、液体脱离能力及其竞争效应等方法进行多层面评估。
 

2 结语

（1）防覆冰涂料是使涂料表面具有超疏水性特征，以此来缩短水滴在该涂料表面的停留时间，使水滴在结冰之前从材料表面滑落，从而达到减轻或防止结冰的目的。

（2）防覆冰超疏水涂料可用于高压电缆、铁塔、通信线路、风力发电的桨叶、飞机和船舶等领域，具有良好的应用前景。我国是一个冰灾多发的国家，很有必要加强对这一领域的投入力度，加快防覆冰超疏水涂料的研究和开发，提高我国抗冰灾的能力，确保输电线路、重要设备和设施的安全。