超疏水表面技术在发动机防冰部件中的应用

杨军，张靖周，郭文，刘华

(1.南京航空航天大学，江苏南京210016；2.中国燃气涡轮研究院，四川成都610500)

超疏水表面技术在发动机防冰部件中的应用

杨军1，2，张靖周1，郭文2，刘华2

(1.南京航空航天大学，江苏南京210016；2.中国燃气涡轮研究院，四川成都610500)

超疏水表面技术对防止发动机进口迎风部件结冰具有重要的工程应用价值。通过介绍接触角、滚动角等润湿性模型及低表面能物质微观成分，阐述了超疏水表面的工作原理，及可用于发动机防冰部件的超疏水涂层表面和超疏水金属表面的制备方法；分析了超疏水表面具有的疏水性能和疏冰性能对发动机防冰的影响；展望了超疏水表面技术在发动机防冰部件的应用前景，并提出了应用超疏水表面技术防冰存在的问题，为研制新型、高效的发动机防冰系统提供了新的思路和途径。

航空发动机；防冰；超疏水表面；接触角；滚动角；低表面能物质

1 引言

飞机在积冰气象条件下飞行时，发动机进口部件可能出现积冰现象。积冰对发动机的影响很大，轻则造成发动机功率降低，重则造成发动机毁损，引起飞行事故。为保证飞行安全，发动机进口部件需采取相应的防冰措施。如斯贝MK202发动机利用压气机热气对整流帽罩和进口叶片进行防冰，F135发动机采用电加热对前风扇机匣进行防冰。这些防冰措施结构复杂且耗能大，国外已开始采用在发动机易结冰部位制备超疏水表面的方法来起到被动防冰的作用。

天然的超疏水表面是生物在自然界长期进化的结果，最典型的代表是荷叶效应。随着仿生学的发展，20世纪50年代国外开始对超疏水表面进行理论研究，并在90年代得到快速发展和应用。近年来，特别是2008年南方冰灾后，超疏水表面成为国内研究的一个热点，许多新颖的制备材料和工艺得到不同程度的发展，其独特的超疏水功能不断得到验证和应用。本文介绍了超疏水表面的工作原理和制备方法，分析了超疏水表面的超疏水性能对发动机防冰的影响，可为发动机进口部件的防冰设计提供参考。

2 超疏水表面工作原理

2.1 固体表面润湿性模型

表面润湿性是指当液体和固体表面接触时，液体可逐渐渗入或附着在固体表面的特性，由固体表面自由能和表面微观结构共同决定。一般可用液体在固体表面的接触角和滚动角的大小来衡量。

2.1.1 接触角模型

对于平整光滑的固体表面，其润湿性可用接触角来衡量。当固体表面水滴较少时，水滴形状取决于水滴大小及水滴与固体表面的接触角。若水滴的平均有效直径为微米级，甚至更小，则水滴的重力影响可忽略，此时水滴的形状接近于球帽形，如图1所示。水滴与固体表面的接触角取决于固体表面条件。若固体表面是理想表面(光滑、平坦、坚硬、均匀)，则固体、气体、液体界面间表面张力达到平衡时体系总能量趋于最小，这时接触角可用著名的Young氏模型[1]表示：

式中：γsv、γsl、γlv分别为单位面积固-气、固-液、液-气界面的表面张力；θ为气、固、液三相平衡时的接触角，也称理想表面接触角。当θ＞90°和θ＜90°时，固体表面分别表现为疏水性和亲水性；而θ＞150°和θ＜5°时，固体表面分别表现为超疏水性和超亲水性。由式(1)可看出，θ越大，γsl越大，固体表面自由能就越小。

图1 理想表面上的水滴形态Fig.1 Configuration of a water droplet on the perfect surface

Barthlott等[2]对荷叶表面进行研究，发现荷叶表面有柱状突起和蜡质涂层，认为荷叶表面的特殊润湿性能是微米级的柱状突起粗糙结构和疏水性蜡状物共同作用的结果。江雷[3]进一步研究发现，荷叶表面微米结构的乳突上还存在纳米结构，并认为这种微米结构与纳米结构相结合的阶层结构，是引起表面超疏水的根本原因。考虑到实际固体表面的粗糙度，Wenzel对Young氏模型进行了修正，提出了Wenzel模型[4]：

式中：r为固体表面粗糙度因子，即粗糙表面实际表面积与表观表面积之比；θ′为粗糙表面的实际接触角。

按照Wenzel的观点，粗糙表面的存在使得实际固体、液体接触面积要大于表观固体、液体接触面积。这是因为Wenzel假定液体会完全填满粗糙表面上的凹槽，如图2所示。可见r＞1，故对于亲水表面，θ′＜θ，即亲水表面在增加粗糙度后更加亲水；对于疏水表面，θ′＞θ，即疏水表面在增加粗糙度后更加疏水。

图2 Wenzel模型示意图Fig.2 Scheme of Wenzel's model

Cassie等[5]在研究自然界大量超疏水表面结构后认为，液滴与粗糙的疏水表面接触时，液滴不会完全填满粗糙表面上的凹槽，液滴下部有空气存在，表观上液体、固体接触，其实是一部分液滴与固体表面突起部分直接接触，另一部分液滴与凹槽下部的空气接触，如图3所示。并为此提出一种新模型——空气气穴模型[5]：

式中：f1和f2分别表示与液滴接触的固体表面、空气表面的面积分数(f1+f2=1)，θ1和θ2分别表示液滴与固体表面、空气表面的本征接触角。由于液滴与空气的接触角为180°，故式(3)可改写为：

图3 Cassie模型示意图Fig.3 Scheme of Cassie's model

由式(4)可看出，对于粗糙的疏水表面，固体表面的面积分数越小，空气气穴所占面积越大，表观接触角越大，疏水性能越好。由此可得，获取发动机防冰部件超疏水表面的最好方式，是改变其迎风表面的微观构造，进行微纳米化，增加空气气穴所占面积，减小水滴与防冰部件迎风表面的实际接触面积。

2.1.2 滚动角模型

在重力作用下，水滴在倾斜固体表面上有下滑趋势。如图4所示，随着α的变大，水滴沿倾斜方向的力mg⋅sin α在不断增大；当α大到某一临界角度时，水滴下滑，此时的α就是水滴在此种固体表面的滚动角。

图4 水滴的滚动角Fig.4 Sliding angle of a water droplet

1962年Furmidge提出了水滴在表面自发移动所需滚动角的计算方程，后来Wolfram等提出了描述液滴在各种光滑平面上的滚动角方程，Murase在Wolfram的方程基础上提出了描述滚动角和接触角之间关系的方程；Watanabe等则进一步提出了粗糙表面上滚动角和接触角的关系[6]。

Aussilous和Chen等[7，8]对液滴在超疏水表面上的动态过程作了更深入的研究，认为超疏水表面上液滴与固体表面及空气间的一维三相线非常关键。因为随着接触角的增加，液滴与固体的接触面积减少，滚动角也减小，有利于液滴运动。因此，只要发动机防冰部件表面的滚动角足够小，撞击到其表面的水滴就很容易脱落，而不会结冰。

2.2 低表面能物质

固体表面的疏水性能与表面能密切相关。表面能低，接触角大，当接触角大于90°时呈明显的疏水性。疏水材料中有机硅和有机氟的表面能较低，且含氟基团的表面能依—CH2—＞—CH3＞—CF2—＞—CF2H＞—CF3的次序下降[9]。水易与氢粘合，水和冰能吸入具有氢结合成分的衬底。冰附着力低的表面应是无氧原子或更具惰性的原子、原子团将氧原子隔开，所以聚合的碳氢化合物和碳氟化合物的表面能低，具有低吸水性和低冰附着力。

常用的低表面能材料主要是有机氟树脂、有机硅树脂及其改性树脂。含氟聚合物材料中，由于C—F键的键能大，氟原子与碳原子结合牢固，且氟原子核对其核外电子及成键电子云的束缚作用较强，C—F键的可极化性低，含C—F键的聚合物分子间的作用力较低，使其表现出优异的耐水性、耐油性和耐沾污性。硅树脂是具有高度交联结构的热固性聚硅氧烷体系，由于分子具有很好的柔顺骨架，使聚合物链段易于调整成低表面能的结构构型，临界表面张力明显低于其它树脂，仅略高于氟树脂。除氟硅材料外，可用来制备超疏水涂层的还有聚烯烃、聚碳酸酯、聚酰胺、聚丙烯腈、聚酯、不含氟的丙烯酸酯、熔融石蜡及一些无机物等，但一般需配合一定的构建技术。

3 超疏水表面制备方法

制备超疏水表面通常有两种途径：一是对具有低表面能的疏水性材料进行表面粗糙化处理，二是在具有一定粗糙度表面上修饰低表面能物质。人工制备超疏水表面虽然时间不长，但发展特别迅速，有效的制备方法也越来越多[10]。目前，可用于发动机防冰部件的人工超疏水表面主要包括超疏水涂层表面和超疏水金属表面。

3.1 超疏水涂层表面

美国一些公司制备的超疏水涂层已开始在飞机上应用。目前国内应用于飞机和发动机的涂层还不具有超疏水性，但超疏水涂层制备方法已有多种。赵永刚等[11]以高岭土增强的聚二甲基硅氧烷为软模板，通过软刻蚀中的微模塑方法复制荷叶表面的微米-纳米复合结构信息，再通过热模塑制备出与荷叶表面相同结构信息的高密度聚乙烯超疏水表面；魏海洋等[12]用微乳液聚合法制备了丙烯酸全氟烷基乙酯和甲基丙烯酸甲酯的无规共聚物，采用溶剂挥发成膜法一步制备了具有超疏水性的该聚合物膜，且水滴在该聚合物膜上的静态接触角可达160°，滚动角小于3°；李举豹等[13]用含二氧化硅溶胶和聚苯乙烯乳液的杂化乳液，通过简单的浸渍提拉法在玻璃基片上获得薄膜，薄膜经热处理后，在乙醇中经三甲基氯硅烷修饰，获得了超疏水性能。

3.2 超疏水金属表面

发动机防冰部件使用的材料主要有铝合金、钛合金、不锈钢及复合材料。刘圣等[14]对铝合金进行硬质阳极氧化使其表面微纳米化，然后利用低表面能的氟涂料进行表面修饰，制备出接触角达154°、滚动角小于6°的长寿命超疏水涂层；李松梅等[15]采用阳极氧化法在铝合金表面原位构造粗糙结构，经表面自组装硅氧烷后得到超疏水表面。张友法等[16]利用棕刚玉对钢片表面进行高能微米喷丸，在钢片表面成功构建了微米-纳米复合结构，然后再利用氟硅烷乙醇进行表面修饰，使钢片表面与水滴的接触角高达160°，滚动角小于2°。这些都为金属表面构造仿生超疏水表面防冰奠定了基础。

4 超疏水表面在发动机防冰中的应用

4.1 疏水性能

发动机进口迎风部件制备成超疏水表面，撞击到表面的水滴聚集在一起，在自身重力或外力作用下迅速脱落。这是因为超疏水表面上的液态水处于Cassie-Baxter状态，大大减少了液态水与固体表面之间的接触面积，移去超疏水表面的水滴仅需很少能量。杨常卫等[17]通过理论分析认为，相同质量情况下，水滴与普通硅片表面之间的粘性力是水滴与超疏水硅片表面之间粘性力的347.6倍。赵坤等[18]通过试验证明了铝合金基体超疏水表面具有良好的超疏水能力。

4.2 疏冰性能

发动机进口迎风部件制备成超疏水表面，在强大的气动力、特别是发动机的振动和离心力作用下，积冰容易脱离。这是因为超疏水表面的微米-纳米复合结构使冰和固体表面存在大量空隙，减小了冰与固体表面之间的接触面积，导致超疏水表面与冰层间的粘附力较低。杨常卫等[17]通过试验表明了超疏水表面与冰层间的粘附力，仅为聚亚胺酯漆层与冰层粘性力的十分之一。

4.3 防冰性能

发动机进口迎风部件制备成超疏水表面能延缓或阻止积冰形成，降低防冰系统能耗。当冰由水蒸气凝华而成时，超疏水表面较大的接触角使结冰的热力学势垒更大、活化率更低，水珠的液核难以生成，初始水珠出现的时间延后；生成的水珠曲率半径更小，水珠表面的饱和蒸汽压更高，水珠的生长速度更缓慢。当冰由液态水凝结而成时，超疏水表面较大的接触角使生成的水珠更易合并长大，液滴高度更高，离固体表面更远，与冷表面的接触面积更小，减小了换热量，固定表面损失热量少，水珠不易冻结。另外，超疏水表面较大的接触角、较小的滚动角，使得水珠与固体表面的粘附力很小，在重力、风力、离心力等外力作用下易脱落。杨常卫等的加热防冰试验显示，超疏水涂层表面不会溢流冰层并能节省大约34%的能量；赵坤等的防结冰性能试验显示，当铝合金表面水滴已完全结冰时，超疏水铝合金表面水滴大概只有1/2的水结冰，证实铝合金超疏水表面的水珠冻结更慢。

5 结论与展望

超疏水表面技术应用到发动机防冰部件不仅可以防冰，而且纳米结构具有的自清洁功能还能减缓防冰部件的腐蚀，提高发动机的可靠性和使用寿命。另外，超疏水表面防冰不需要管路和引线，不需要提取发动机功率，对发动机性能和防冰部件结构没有影响，是一种非常理想的防冰方式。

目前应用超疏水表面对发动机进行防冰，技术上还不够成熟。如人工制备的超疏水表面微观粗糙结构的机械强度还不甚理想，长期暴露于大气环境中容易老化、污染，超疏水性能会逐渐降低；超疏水涂层需通过特殊的基底材料与发动机防冰部件结合在一起，但目前对粘附材料的研究还比较少；对超疏水表面疏水、疏冰及防冰能力的研究主要针对静止件，而发动机自身有一定振动，进口迎风部件表面有较大的气动剪切力，旋转件表面还有较大的离心力；防冰效果还需大量试验验证等。但随着超疏水表面制备方法和制备工艺的发展，表面粗糙结构力学性能的改善，低表面能物质的粘附性、稳定性的提高，超疏水表面技术为研制新型、高效的发动机防冰系统提供了新的思路和途径。

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Application of Super-Hydrophobic Surface Technique on the Anti-Icing Components of Aero-Engine

YANG Jun1，2，ZHANG Jing-zhou1，GUO Wen2，LIU Hua2
(1.Nanjing University of Aeronautics and Astronautics，Nanjing 210016，China；2.China Gas Turbine Establishment，Chengdu 610500，China)

The super-hydrophobic surface technique is applied to prevent the inlet windward components from icing，which has the important value in the engineering application.Through the introduction of the wettability models of contact angle and sliding angle and the microcosmic structure of the low surface ener⁃gy materials,the working principle of super-hydrophobic surface was expatiated.The preparation methods of super-hydrophobic coating surfaces and super-hydrophobic metal surfaces on the anti-icing components were summarized.The influence of the hydrophobic properties and thin ice properties of super-hydrophobic surface on anti-icing of the engine was analyzed.The application prospects of the super-hydrophobic sur⁃face technique in the anti-icing components were discussed.Problems about the application of super-hy⁃drophobic surfaces were brought forward.These provide a new idea and approach for aero-engine anti-ic⁃ing system design.

aero-engine；anti-icing；super-hydrophobic surface；contact angle；sliding angle；low surface energy material

V244.1+5

A

1672-2620(2013)01-0058-05

2012-05-28；

2012-10-12

杨军(1973-)，男，四川遂宁人，高级工程师，博士研究生，主要从事航空发动机空气系统与热分析工作。