表面形態對結冰附著強度的影響

曹 敏，陳廷坤，叢 茜，金敬福

（1.吉林大學 學報編輯部，長春 130022；2.吉林大學 生物與農業工程學院，長春 130022）

0 引 言

在低溫環境下，部件基體表面的結冰附著現象會對生產、生活活動帶來不便與危害。在工程中，結冰附著現象的危害主要形式有增加負重、影響機械部件運作、遮擋部件工作面等。如飛機機翼表面結冰，會降低飛機的動力性甚至造成墜機［1］；在輸變電系統中，電力線、塔架上的覆冰會引起負重增加，使電線斷裂、配送塔倒塌，造成電網癱瘓［2］；道路結冰，會增加交通安全事故發生幾率［3］；高寒地區風電機組葉片結冰，會降低風電機組發電效率，增加運行安全隱患，造成經濟損失［4-5］；無線通訊天線表面結冰，會影響其傳輸數據的準確性及響應速度［6-7］。

工程中防結冰技術的實施目的在于清除基體表面積冰。目前，工程中對部件表面的結冰危害的防范主要采用：①延緩或抑制式預防技術。通過對結冰形成過程產生干擾，影響結冰的形成速率，如加熱保溫、防凍液涂覆、超疏水防結冰涂層等［8］；②已結冰表面清理技術。利用外力對已形成的表面結冰進行融化或破壞，使結冰脫落，如加熱融冰、化學化冰、機械振動敲擊、微波除冰、激光除冰等［9-10］。雖然預防技術可有效降低結冰的發生，但其抑制結冰效果需要依賴于該技術方法的持續作用，這對于長期工作在低溫環境下的部件將產生巨大的運營成本。目前，在抑制結冰方法領域，基于仿生超疏水自清潔表面技術和材料科學的發展而延伸出來的微觀形態（或粗糙度）和超疏水表面等新方式，為研究主動式防結冰技術提供了新的思路。如Jung等［11］在鋁表面通過化學方法涂覆PTFE涂層，使其黏附強度比冰在純鋁表面的黏附強度降低60%；Richard、Tourkine等［12-13］通過研究發現與光滑的表面相比，當材料表面存在一定粗糙度時，可以延緩冰在材料表面的凍結時間。該理論認為一定粗糙度或超疏水表面會減緩或阻止微小水珠在基體表面的凝聚、附著，以此延緩結冰。但同時，Varanasi等［14］通過增加環境中的水蒸汽，發現具有微觀粗糙度的疏水結構底部會結霜并改變、降低其疏水性，提高黏附強度；Kulinich等［15］通過研究發現，在不同環境下帶有粗糙度的超疏水表面并不是一直具有良好的防結冰效果，并發現對防結冰涂層表面余冰的清理次數增多，其防結冰性能明顯降低。此外，楊曉東等［16］對PTFE材料表面結冰強度試驗表明，表面結冰的延緩效應并不能抑制結冰，且形成的附著強度與材料潤濕性關聯不大。預防式防結冰理論及研究是防結冰研究的熱門領域，但由于其理論技術等存在種種缺陷和不足，當前工程中對結冰危害的防范主要依賴于后期清理技術和方法。

本文以水結冰過程中相變膨脹為理論基礎，利用結冰附著強度測試試驗，探討基體表面形態對冰附著強度的影響，并基于水結冰發生的相變膨脹應力在基體凍結界面處的作用，分析表面形態參數對冰附著強度的影響規律。本文的研究目的在于為工程中的防結冰技術研究提出一種新的技術方案，利用基體表面形態變化降低基體表面結冰附著強度，便于自行剝離或降低清除難度。

1 水結冰過程中的相變膨脹現象

在水結冰過程中，由于密度差異會產生體積的增大，其體積膨脹分為相變膨脹和靜冰膨脹［17］。結冰的膨脹現象作為一種常見的自然現象，會對水文、建筑等領域造成危害，如冰的膨脹會對港池、河道等坡堤產生較大的擠壓力，降低安全性和使用壽命［18-19］；同時對被凍結在海面、湖面、水庫內的船舶或建筑物產生很大的破壞力［20］，降低了結構穩定性并改變了其外貌形狀。對于結冰膨脹現象，以往的研究主要集中于水文、建筑等領域的危害評估及防范設計，對于結冰過程中相變膨脹力的應用報道較少。

王皆騰等［21］通過對冷表面上水結冰過程的觀察研究提出，水結冰過程中明顯的體積變化發生在相變過程，其膨脹系數約為1.15～1.20。為了驗證其結果，本文作者進行了冷表面上水結冰過程的顯微觀察，試驗中冷表面以3min降1℃的速率從5℃制冷至－15℃，試驗液滴由10μL過濾純凈水滴定在冷表面上而成，液滴（冰珠）體積變化通過顯微鏡攝錄后根據水滴（冰珠）輪廓計算得到。圖1為水滴結冰過程溫度和體積的變化規律。圖中體積變化系數以10μL水滴為基準1換算所得。

圖1 水結冰過程體積膨脹規律Fig.1 Volume expansion during freezing process

試驗中液態水溫降至0℃以下時尚不能結冰，直到－6～－10℃時才能發現明顯的渾濁凝稠的過冷水狀態，并隨時都可能發生相變。相變過程中可看到凍結層面由接觸界面快速移動至頂端并發生明顯的體積膨脹現象，同時由于凍結界面處的附著水產生的相變膨脹只能通過頂端未凍結處進行壓力的釋放。通過著重觀察水滴結冰過程表明，10μL水滴進入過冷水狀態（呈現為渾濁狀態）時間僅約1s，從過冷狀態觸發至完成相變過程僅需約15s。經對水滴形態的顯微圖像的輪廓計算出的體積變化趨勢可見，水滴體積在常溫至過冷水過程基本穩定（在4～－4℃區間稍有收縮），在過冷水相變瞬間體積膨脹系數達到1.19，即體積在較短時間內膨脹了1.19倍。此后隨溫度的進一步降低，凍結冰珠形態并未產生明顯的變化。

試驗表明，水結冰過程中的相變膨脹作為冰膨脹的主要來源，其形成時間短且膨脹系數大，即在短時間內的大膨脹形變會引起較大驅動應力的產生。通過對冰強度的研究發現，對冰的載荷作用時間較短時，冰的破壞會呈現脆性材料的形式［22-23］，因此相變膨脹產生的應力不會由于冰的柔性特點而被冰吸收。若能有效地利用結冰過程中相變膨脹去干擾或破壞基體表面上結冰附著界面，可大大降低工程中部件表面結冰的清理難度。本文結合文獻［24］所提出的利用表面形態改變實現降低結冰強度的原理，通過模型試驗探討了表面上的凹陷形式對降低基體表面冰附著強度的影響作用。

2 結冰強度測試試驗

2.1 試驗條件

試驗觀察基體表面的凹槽形態對材料表面水結冰的附著強度的影響。基于文獻［25］對粘附劑的黏附力測試標準，本文以冰從材料表面剝離的最大拉力作為冰在材料表面的附著強度，并根據文獻［26］自制附著強度測試裝置進行附著強度測試，即利用圓筒法進行試樣表面冰的黏附強度測試，通過與圓筒相連接的拉力計測得圓筒與試樣分離過程中的最大剝離力。試驗中測試裝置如圖2所示，試驗中的冰附著強度測試分為法向剝離試驗和切向剝離試驗兩個方向進行。

試驗中采用的鋁制圓筒內徑為32mm、外徑為39mm、高度為41mm。為避免凍結過程中圓筒內水泄露與圓筒試樣表面凍結，在圓筒底部加工寬1mm的油槽。試驗時，首先在圓筒底部沾取少許防凍液，并將圓筒置于試樣表面的中心位置；然后通過圓筒頂部的通孔注入5mL水。試驗中，凍結環境設定－15℃恒定溫度，凍結時間為1h。

圖2 試驗裝置示意圖Fig.2 Schematic of the apparatus

2.2 試驗設計

試驗采用亞克力（PMMA）板材料，在其表面加工截面形狀為倒三角凹槽的表面形態。試樣尺寸為50mm×50mm×5mm，表面的凹槽形態利用雕刻機在試樣表面中心20mm×20mm范圍內加工。為了減少試驗次數，本次試驗選用L9（34）正交表設計和安排試驗。試驗因素如表1所示。

表1 試驗因素與水平Table 1 Experimental factors and levels

設計方案中因素A為凹槽截面底部的夾角，因素B為兩凹槽中心的距離，因素C為凹槽的深度，因素D為凹槽在表面上的分布形式。

根據試驗方案設計的試樣形狀參數和照片如圖3所示。圖3中設計的加工試樣1＃、5＃、9＃為順條連續凹槽形態；試樣2＃、6＃、7＃為網格交錯凹槽形態；試樣3＃、4＃、8＃為獨立凹坑點狀分布形態。

2.3 試驗結果

圖4是對圖3所示試樣進行的表面附著強度的測試結果對比圖，圖中表面未經加工的光滑PMMA平板試樣作為對比使用。冰附著強度切向剝離試驗中，試樣1＃、5＃、9＃是順條凹槽狀試樣，切向強度存在平行于順條狀凹槽和垂直于順條狀凹槽兩個方向的剝離強度，因此圖4中也已加入順條狀試樣的兩種切向結冰強度數據。

圖3 試樣參數及形態Fig.3 Sample parameters and morphology

圖4 測試試驗結果Fig.4 Experimental results

從試驗結果對比圖可知，試驗中多數試樣的冰附著強度小于對比平板試樣的冰附著強度。同時，也可以看出基體表面的形態參數會對PMMA基體表面的冰附著強度造成影響。

（1）對試驗中1＃、5＃、9＃凹槽順條狀分布的試驗樣本平行于凹槽的方向進行切向剝離測試，測得的附著強度均大于垂直于凹槽方向的黏附強度。由于本次試驗的目的是降低基體表面的冰附著強度，因此后續分析中對順條狀試樣只考察垂直方向的切向附著強度的試驗結果。

（2）由圖4可見，PMMA材料表面冰的法向附著強度均小于冰的切向附著強度；對于同一試樣，冰的法向附著強度約為切向附著強度的1／3。

（3）試驗中不同試樣的法向附著強度與切向附著強度變化的趨勢類似，即切向冰附著強度變小時，法向冰附著強度也會相應地變小。

（4）試驗中3＃點狀試樣基體表面的切向、法向附著強度值最小。與平板試樣表面冰附著強度對比，3＃試樣表面的切向冰附著強度降低約41%，法向附著強度降低約29%。7＃網格試樣的冰附著強度與光滑試樣的附著強度值相近，法向冰附著強度大于平板試樣的冰附著強度。

針對各因素效應對基體表面冰附著強度的影響，采用極差分析法對試驗數據進行分析。由于試驗目的是降低材料表面的冰附著強度，因此對于試驗中的順條狀試樣，其分析數據選用數值比較小的垂直于順條方向的剝離強度。表2為試驗分析結果，表中a、b分別為切向、法向結冰強度的測試均值及其因素分析。

表2 因素效應分析Table 2 Analysis of the factor effect

經計算分析可知，切向和法向測試試驗中，對附著強度影響的主次因素均依次為A、D、C、B。通過極差法分析發現，降低基體表面結冰切向附著強度的表面形態最佳設計參數為：夾角60°、凹槽中心間距4.5mm、凹槽深度1.0mm，獨立凹坑分布形態。降低基體表面結冰法向附著強度的表面形態最佳設計參數為：夾角45°、凹槽間距4.5mm、凹槽深度1.0mm，獨立凹坑分布形態。

由表2的數據分析可發現，對于表面存在截面形狀為倒三角的凹槽形態時，凹槽的開口角度和點狀分布能夠有助于降低結冰強度。在本次試驗范圍內冰的切向附著強度較平板最大降低41 N、法向附著強度較平板最大降低12.34N。

3 試驗分析

從試驗數據可以看出，基體表面存在的宏觀形態會對冰的附著強度造成不同程度的影響，符合本文提出的理論基礎。同時，在試驗中表面存在的凹陷形態雖然增加了冰與材料之間的接觸面積，但經試驗發現，相對于光滑試樣表面的冰附著強度，表面的凹槽形態導致了冰的附著強度存在不同程度的降低。即冰在光滑試樣表面凍結時，在黏附界面形成了均勻的應力分布；而試樣表面存在凹槽形態時，相變膨脹瞬間產生的應力、應變改變了其作用方向，破壞了冰與材料之間的穩定黏附界面，造成黏附界面層的應力分布不均。

本文中采用的凹槽形態在基體表面的三種分布形式會影響附著界面應力的分布。當形態在表面為點狀分布時，凹坑內的水／冰受周圍界面的約束作用，產生的膨脹應力和應變作用于黏附界面，造成在凹槽圓口附近產生應力集中，使凍結界面產生多個點狀且呈輻射狀分布的應力集中區域。當形態底部夾角越小、深度越深時，凹槽內聚集的水越多并且對水／冰的約束作用也越強；當凹槽形態在表面的分布間距適中時，避免了凹槽圓口附近存在的應力集中區域發生重疊，并減小了冰與基體表面之間連續的凍結面積。同時，由于相變膨脹瞬間發生并伴有一定的應變和應力，對凹槽圓口附近穩定的凍結界面會造成較大的沖擊，致使在圓口附近產生一定的凍結空隙。因此，相對于光滑樣本表面水的凍結，冰在點狀分布的試樣表面凍結雖增大了凍結面積，但由于凍結界面存在多處零散的點狀應力集中區域以及不連續的凍結界面，因而降低了冰在基體表面的附著強度。

當試樣表面存在順條狀凹槽時，由于凹槽底部夾角較大且較深，導致凹槽的口徑較大，減小了凹槽圓口附近的應力集中區域面積，并且有可能導致產生的相變應力直接作用于凹槽的底部，從而降低了在凍結界面附近產生的相變膨脹應力集中強度。當形態分布間距過大時，導致相鄰的錐形凹槽之間存在無膨脹應力集中區域，增加了冰與材料之間連續穩定的凍結面積。對條狀錐形凹槽進行剝離，采用平行條狀方向進行剝離，由于分布間距的存在，黏附應力的受力面為多個不連續的倒三角凹槽的短側面，冰附著力的受力面積為間斷的、窄小的倒三角凹槽，對冰的剝離影響程度較小；而垂直條狀方向剝離時，黏附應力的受力面積為整個連續的凹槽長側面，增加了附著力的受力面積，降低了冰在材料表面的附著強度。

由試驗結果可以發現，網格狀試樣表面的冰附著強度大于其他兩種形態分布的附著強度。但選擇合理的分布間距，可減小或避免相鄰網格之間連續的凍結界面；而分布間距過小時，相鄰網格之間會存在膨脹應力的重疊區域，使表面冰附著力接近甚至超過光滑試樣表面的附著力；當分布間距過大時，相鄰網格之間會存在較大且穩定的黏附面積，這樣會減小對冰附著強度的影響程度。

4 結束語

本文基于水凍結成冰產生的相變膨脹現象，通過設計材料表面宏觀形態來破壞冰與材料之間的黏附界面層以達到降低基體表面冰的附著強度的效果。試驗中，試樣表面的凹槽形態呈點狀分布時，對冰的表面附著強度有較大的影響，其切向、法向的附著強度相對于光滑試樣表面的冰附著強度能分別降低41%、29%，具有良好的降低冰附著強度的作用。通過試驗可以發現，基于對材料表面宏觀形態的合理設計并利用冰生成過程中必然產生的相變膨脹應力，可以減小冰在材料表面的凍黏應力，便于后期通過機械等除冰方法進行表面積冰的清除，并降低表面積冰清理的能耗及成本。同時也為工程中的防除冰方法提供了一種新的技術思路。

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