不同基底温度下铝基超疏水表面的抗结冰性能实验

武卫东 王菲菲 申瑞 汪德龙

（上海理工大学制冷与低温工程研究所 上海 200093）

不同基底温度下铝基超疏水表面的抗结冰性能实验

武卫东 王菲菲 申瑞 汪德龙

（上海理工大学制冷与低温工程研究所 上海 200093）

本文利用刻蚀方法制备了铝基超疏水表面，在环境温度20℃、相对湿度60%下进行了不同基底温度（－15℃、－20℃、－25℃、－30℃）超疏水表面的静态和动态低温液滴抗结冰性能实验研究。结果表明：超疏水表面在液滴静、动态下均表现出良好抗结冰性能；在静态液滴抗结冰实验中，随着冷表面温度的降低，超疏水表面延缓结冰的时间快速下降，当基底温度为－25℃时，其抗结冰性能发生突变，并随冷表面温度的进一步降低而表现恶化；在动态液滴抗结冰实验中，当冷表面温度为－15℃和－20℃时，低温液滴能快速从低温表面弹离，而当冷表面温度为－25℃和－30℃时，低温液滴不能从超疏水表面弹离，滞留在超疏水表面上，且快速在其上冻结，超疏水表面失去了抗结冰性能。基于相关相变成核理论，分析了其抗结冰的机理。为超疏水表面在冬季空调室外换热器上的应用提供一定参考。

铝基超疏水表面；抗结冰

空气源热泵在冬季工况下，空气中水蒸气极易在换热器表面凝结成露水乃至形成大量的冰霜，严重影响了系统的换热性能及制热效果，同时由于需要提供额外的能量进行融霜，造成能源的浪费。近年来，铝合金材料广泛应用于空调制冷领域换热器上，传统的方法难以从根本上解决铝制换热器表面结霜结冰的问题。超疏水材料凭借其独特的表面润湿性，具有很大程度上抑制冰霜生成的潜力，前景良好［1－2］。尤其近年来随着超疏水表面制备技术的不断进步，将其应用于抗结冰的研究引起了众多学者的关注。

C.Laforte等［3］最先研究报道了超疏水表面具有降低冰粘附力的功能。随后抗结冰的研究主要分为两类：原位静态液滴的抗结冰和外部滴落动态的低温水滴抗结冰性能。静态液滴抗结冰研究旨在研究材料的本征抗结冰性能，而动态低温液滴抗结冰研究是为了描述材料抗结冰的动力学表现［4］。L.Yin等［5］通过外加单个水滴（5 μL）的方法观察了水在超疏水表面和其他四类表面上的结冰过程（从0℃开始，0.5℃／min持续降温，直至结冰），结果表明超疏水表面具有较低的滚动角，结冰初期可降低冰的堆积，当倾角为90°时，超疏水表面具有静态抗结冰优势。F.Wang等［6－7］用化学刻蚀的方法在铝表面构建了具有微纳米结构的超疏水表面，并对其进行了静态抗结冰实验研究，发现在基底温度从17.5℃降低到－10℃时，其表面仍能保持高达150°的静态接触角；且在环境温度为－6℃时，在超疏水表面上方喷洒过冷水，其表面仅有少量覆冰形成，表明其相较于普通表面具有良好的抗结冰性能。Y.F.Zhang等［8］制备的纳米结构超疏水表面接触角达到了154.6°，且水滴在环境温度从0℃降至－15℃仍能保持液态，在－15℃经过10 min部分水滴仍能保持液态，而未处理表面降温至－10℃就已很快结冰，表明纳米结构超疏水表面具有静态抗结冰能力。L.Cao等［9］研究了超疏水表面基底温度低至－20℃时过冷去离子水在表面上的静态抗结冰效果，结果表明超疏水表面的微纳结构尺寸越大，抗结冰性能越差。P.Guo等［10］研究了静态液滴在ZnO纳米棒超疏水表面上延迟结冰的性能，实验表明在－10℃时，微纳米复合结构的静态接触角仍然大于150°；同时将7 μL水滴静置在基底温度为－20℃，基底表面分别为微米结构、微纳米复合结构、纳米结构的超疏水表面时，通过比较结冰时间发现微纳米复合结构具有最佳的延缓结冰的能力。在动态抗结冰方面，R.Jafari等［11］利用所制备超疏水表面进行冷冻风道内实验，在空气速度10 m／s，温度－10℃，水滴密度2.5 g／m3及平均直径80 μL条件下，发现超疏水表面相较于普通表面具有较强的动态抗结冰能力。C.Antonini等［12］在环境温度为－17℃，风速为0.28 m／s，分别在空气含湿量低（1.5 g／m3）和高（12.3 g／m3）的条件下于风洞中测试了铝基超疏水表面的抗结冰能力，发现与普通未处理的铝合金表面相比，超疏水表面能够大大降低结冰量，节约了近80%的能量。L.Mishchenko等［13］在基底温度低至－25℃时，分别对亲水表面、疏水表面、超疏水表面经过冷水滴撞击后水滴的动力学性能及动态抗结冰情况做了深入的研究，实验得出超疏水表面具有较好的抗结冰性能，同时作者对整个抗结冰的过程作了理论解释，指出尽快使得过冷水在结冰之前弹离表面是实现抗结冰性能的关键。Y.Wang等［14］利用10 μL液滴在壁面温度为－10℃，湿度为45%～55%条件下，从不同高度（5 cm，20 cm和50 cm）撞击多种不同表面，发现相较于其他表面，超疏水表面具有较为明显的动态抗结冰性能。龙江游等［15］研究了超疏水表面在低温－5℃和－10℃下的动态抗结冰过程，发现超疏水表面水的粘附性对其抗结冰性能有显著影响，粘附性较小的比高粘附性的超疏水表面具有更为优异的抗结冰性能。

从目前文献来看，多数学者只单纯对超疏水表面进行了静态或动态抗结冰实验研究，鲜有同时进行静态液滴和动态低温液滴的超疏水表面抗结冰研究，且缺乏基底温度对超疏水表面抗结冰性能影响的系统研究。由于空调室外换热器在冬季运行工况下静态结冰和动态融霜水结冰可能同时发生，因此开展超疏水表面在不同基底温度下的相关抗结冰过程研究对全面了解结冰机制及其预防具有重要意义。本文在前人研究的基础上，采用刻蚀法所制备的超疏水表面，对不同基底温度下的超疏水表面同时进行静态液滴抗结冰和动态低温液滴抗结冰的实验研究，并进行超疏水表面抗结冰的初步机制探讨，为超疏水表面应用于冬季空调室外换热器提供一定参考。

图1 普通铝合金表面与铝基超疏水表面结构图Fig.1 Surface structure of aluminum alloy and aluminum⁃based super⁃hydrophobic surface

1 实验部分

1.1 实验用超疏水表面

铝基超疏水表面的制备方法有很多种［16］，采用简单廉价而又可靠的方法制备铝基超疏水表面更具有实用意义。综合前人对化学刻蚀法方法的研究［17－19］，本文采用盐酸刻蚀铝合金表面后再喷涂超疏水涂料（型号：SY-SUPERCOAT-SHOS150）的方法，制备了铝基体超疏水表面。如图1所示，分别为未处理普通铝合金表面与所制备铝基超疏水表面结构均放大约1 000倍的对比图。利用光学接触角测量仪（型号：SL200B）对两种表面进行了接触角测试，测量用水为去离子水。如图2所示，分别为未处理普通铝合金表面与水的接触角（52°±1°），所制备铝基超疏水表面与水的接触角（152°±1°）以及两者结冰形态对比图（图2（c）中，左侧为普通表面，右侧为超疏水表面）。

图2 普通铝合金表面与所制备铝基超疏水表面接触角图Fig.2 Contact angle of aluminum alloy surface and aluminum⁃based super⁃hydrophobic surface

1.2 静态水滴抗结冰实验

图3所示为静态水滴抗结冰实验示意图，其中被测样品表面（超疏水表面或普通表面）紧贴半导体制冷片表面放置。实验在环境温度20℃和相对湿度60%下进行，分别设置半导体制冷片温度为－15℃，－20℃，－25℃和－30℃作为表面基底温度条件。为了防止实验开始前湿度对实验的影响，实验前在样品表面上放置塑料薄膜，待制冷片稳定在设置温度时，将塑料薄膜移除，快速使用胶头滴管将室温下的水滴静置于被测样品表面上，利用高速摄像仪观测整个实验过程液滴形态的变化，记录液滴冻结的时间。

图3 静态水滴抗结冰实验示意图Fig.3 Schematic diagram of anti⁃icing test for static water⁃droplets

1.3 动态低温水滴抗结冰实验

图4所示为动态低温水滴抗结冰实验示意图，同样将被测超疏水表面或普通表面样品紧贴半导体制冷片表面放置。实验在环境温度为20℃和相对湿度为60%下进行，分别设置半导体制冷片温度为－15℃，－20℃，－25℃和－30℃，待制冷片稳定在设置温度时，在样品表面正上方6 cm处快速使用胶头滴管滴落水温近似为0℃的去离子水液滴，利用高速摄像仪（帧率1 000 fps）观测低温液滴碰撞样品表面时的形态变化。

图4 动态低温水滴抗结冰实验示意图Fig.4 Schematic diagram of anti⁃icing test for dynamic low temperature water⁃droplets

2 实验结果及讨论

2.1 静态水滴抗结冰实验分析

超疏水表面上静态水滴延缓结冰的时间是影响超疏水表面抗结冰性能的重要因素，本节通过实验比较普通表面与超疏水表面静态液滴结冰时间。

图5所示为普通铝表面和超疏水铝表面静置水滴结冰过程的对比图，每张图片中左边和右边分别为普通表面和超疏水表面，实验时环境温度为20℃，相对湿度为60%，半导体制冷片温度为－20℃。

由图5（a）可以看出，左侧普通铝表面上水滴完全铺展在表面上，水滴与表面充分接触；右侧样品表面上水滴与表面部分接触，水滴“悬浮”在表面上。

图5（b）所示为普通铝表面结冰瞬间图，仅仅经过7 s，左侧普通表面上的水滴就发生冻结，并且在一瞬间水滴由液态变为固态，而此时右侧铝基体超疏水表面上的水滴仍然呈液态球状。

图5（c）所示为超疏水表面结冰瞬间图，经过长达501 s，右侧水滴才瞬间发生结冰，由液态经过透明转变成固态冰。对比普通铝表面，铝基超疏水表面能有效延迟近71倍的结冰时间。由此可见，铝基超疏水表面具有优异的静态液滴抗结冰性能。一方面水滴在超疏水表面上较大的接触角增加了液态水滴凝固的能垒，造成液态水滴在超疏水表面上难以冻结；另一方面水滴在超疏水表面的微纳米尺度结构上形成固-液-气三相共存的界面，此时水滴和超疏水表面基底形成的空气层具有绝热作用，能够减缓水滴在低温超疏水表面的结冰速度。

为了更深入地研究铝基超疏水表面抗结冰的性能，先后在环境温度为20℃和相对湿度为60%，冷表面分别为－15℃，－20℃，－25℃和－30℃条件下进行普通铝表面与铝基超疏水表面的抗结冰实验。

图6所示为普通铝表面和铝基超疏水表面在不同冷表面温度条件下延缓结冰时间的对比图。

图5 不同时刻下静态液滴结冰过程对比图Fig.5 Contrast diagram of static droplet freezing process at different moments

图6 不同冷表面不同基底温度延缓结冰时间的对比图Fig.6 Comparison of delaying the freezing time under different substrate temperatures for common surface and super⁃hydrophobic surface

由图6可以看出，随着基底温度的降低，超疏水表面静态液滴抗结冰能力迅速下降，在基底温度为－25℃时发生了突变，延缓结冰时间从501 s大幅下降到127 s，基底温度为－30℃时，延缓结冰时间进一步下降为96 s。普通表面结冰的时间基本上变化不大，在－15℃时其结冰时间为20 s，基底温度进一步降低后结冰时间基本保持在6 s左右。对比普通表面与超疏水表面的结冰时间可以发现，超疏水表面具有性能优异的延缓结冰能力。结冰的本质是过冷液滴的相变成核，相变成核分为异相和均相成核，根据相关理论研究［20－21］，均相成核主要描述新相晶核在母相中自发成核，体系中任何区域生成新相的几率相同；异相成核主要描述新相形成在原有的固相界面或者已经生成的液相界面上。两者成核的过程都需要克服吉布斯自由能势垒，均相成核的吉布斯自由能势垒大于异相成核的能势垒，所以大部分成核过程都是异相成核。水滴在超疏水表面结冰为异相成核过程，过程中需要克服的吉布斯自由能势垒为异相成核能垒。延缓静置液滴结冰时间随着温度的降低而较大幅度降低，这反映结构的本征抗结冰能力在减弱。

根据X.Y.Liu等［22］研究，结冰所需克服的异相成核能垒Δ Ghet与该条件下的均相成核能垒Δ Ghomo符合以下关系：

式中：因子f与超疏水表面微观结构的形貌以及化学成分有关，其大小可以用来衡量成核发生的难度。因此，因子f在某种程度上可以反映所设计结构的成核能垒大小，这对于定量和定性评价结构抗结冰性能有着极为重要的意义。f可以表示为：

其中：

式中：R为球形直径，即实验中可测量的超疏水材料纳米针的顶端直径，m；rc为临界成核直径，m，当过冷度等条件确定时，临界成核直径rc为一定值，因此R／rc可以反映结构的本征影响成核能垒效果；θ为结构材料晶胚的本征接触角，（°）。一般而言由于微观晶胚的接触角不可测量，因此可近似认为θ为材料结构的宏观液滴本征接触角。临界成核直径的计算公式为：

式中：γ为水-冰的界面张力，约为0.03 J／m2，v为水的摩尔体积，约为1.8×10－5m3／mol，ΔG为系统势能的变化，J／mol，可通过以下公式计算：

式中：cp为水的比热容，约为75.3 J／（mol·K）；Tm为水的熔点，273.15 K；T为水滴的实际过冷温度，K。

为了便于定量分析处于不同过冷度时样品的本征抗结冰能力，孙宝［4］分别计算了过冷温度为 －5℃、－10℃、－15℃和－20℃时因子f的大小，结果见图7。

图7 不同过冷度时因子f的理论计算值Fig.7 Theoritical calculation values of the factor f at different subcooled degrees

由图7可知，当过冷度为－5℃时，因子f大小接近1，说明此过冷度下样品顶端的成核能垒与该条件下均相成核势垒相当，意味着此时在该界面的液滴极难结冰，当过冷度增大到－10℃时，顶端势垒仍极靠近该条件下均相成核势垒，结冰事件依旧较难发生，随过冷度的继续增加，结构在抑制成核结冰效果上持续减弱。同时需要注意到的是，因子f是不同条件时异相成核势垒与均相成核势垒的比值，当温度降低到一定程度时，体系均相成核势垒迅速降低，同时f也在变小，因此总的结构成核势垒更为迅速降低［4］，这一计算结果与本文实验结论相吻合，理论上进一步解释了超疏水表面抗结冰性能随冷表面温度的降低而降低的原因。

图8 低温水滴撞击不同冷表面温度下超疏水表面过程图Fig.8 Process photos of cold water droplet impinging on super⁃hydrophobic surface under different temperatures

2.2 动态低温水滴抗结冰实验分析

室外换热器表面存在融霜水等低温液滴，测试所制备的超疏水表面对动态低温液滴抗结冰性能具有重要的意义。图8所示为低温水滴撞击不同冷表面温度下超疏水表面过程图，图中液滴从超疏水表面正上方6 cm处开始滴落，水滴进入到高速摄像仪视野中时记为0 ms。

图8（a）所示为冷表面温度为－15℃低温水滴撞击超疏水表面过程图，在50 ms时，液滴与表面开始碰撞，低温水滴相继铺展、收缩、弹离，最后在重力作用下稳定在表面上，表明在－15℃的基底温度下，超疏水表面对动态低温水滴具有优异的抗结冰性能。

当基底温度为－20℃时，低温液滴同样经历了碰撞、铺展、收缩、弹离的整个过程，如图8（b）所示。与图8（a）不同之处在于，当液滴弹离时，其高度明显低于基底温度为－15℃的情况，表明此时超疏水表面的抗结冰性能已有所减弱，结合超疏水表面的静态液滴抗结冰能力，在－15℃和－20℃下，其能延迟结冰的时间分别为1 022 s和501 s，而整个动态水滴撞击直至弹离的过程仅仅40 ms，这就可以保证低温的水滴能在结冰之前快速离开超疏水表面。

图8（c）所示为在冷表面温度为－25℃下低温水滴撞击超疏水表面的全过程，和图8（b）不同的是，低温水滴撞击超疏水表面后并没有出现液滴铺展、收缩和弹离的过程，而是直接保持液态水滴的形态稳定在超疏水表面上，此时超疏水表面已经部分丧失抗结冰的性能。图8（d）所示为基底温度为－30℃下低温液滴撞击超疏水表面的过程，整个过程与基底温度为－25℃时类似，唯一不同之处是，水滴接触到超疏水表面后，在60 ms时水滴即发生冻结，此时超疏水表面已基本丧失了抗结冰的性能。依据相变成核理论中均相和异相成核能垒的关系［22］，在基底温度为－15℃和－20℃时低温水滴撞击基底，因为此时表面还具有较高的能垒抵抗水滴结冰，当液滴铺展在超疏水表面时，会延缓结冰时间，并同样因表面具有比较高的能垒而在最终结冰前被弹走；当进一步降低基底温度为－25℃和－30℃时超疏水表面的能垒相对较小，延缓结冰时间变短，低温水滴滴落在表面保持形态稳定的状态，此时超疏水表面几乎丧失了抗结冰能力。

3 结论

本文利用刻蚀法制备了铝基超疏水表面，当环境温度为20℃和相对湿度60%时，进行了不同基底温度（－15℃，－20℃，－25℃和－30℃）的超疏水表面静态液滴抗结冰和动态低温液滴抗结冰的实验研究，得出如下结论：

1）当超疏水表面基底温度为－15℃和－20℃时，无论对静态液滴还是动态低温液滴都表现出良好的抗结冰能力。对于静态液滴，随着冷表面温度的降低，表面延缓结冰的时间快速下降，在基底温度为－25℃时，超疏水表面抗结冰性能发生突变，随着冷表面温度进一步降低其抗结冰性能表现恶化，这是由于此时超疏水表面失去了能够延缓结冰的能垒，已失去其抗结冰的性能。

2）对于动态低温液滴，当冷表面温度在－15℃和－20℃时，超疏水表面同样具有抗结冰的能垒，低温液滴能快速从低温表面弹离；而当冷表面温度为－25℃和－30℃时，其异相成核能垒被打破，液滴不能从超疏水表面弹离而滞留其上，且快速冻结。如果空调室外换热器的温度降低到－25℃以下，同时遇到室外动态低温融霜水滴时，超疏水表面抗结冰能力会急剧恶化。

3）静态液滴下超疏水表面良好的抗结冰性能（延缓结冰时间）有利于对动态低温液滴的表面抗结冰性能的延续。

本文受教育部留学回国人员科研启动基金（LXJJ2015）和上海市自然科学基金（14ZR1429000）项目资助。（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，刘中良，孟声，等.自然对流下强吸水表面上结霜特性的研究［J］.制冷学报，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］徐文骥，宋金龙，孙晶，等.铝基体超疏水表面结冰结霜特性研究［J］.制冷学报，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］孙宝.铜基超疏水界面构筑及抗结冰、抗结霜性能研究［D］.南京：南京理工大学，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，Farzaneh 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］龙江游，吴颖超，龚鼎为，等.飞秒激光制备超疏水铜表面及其抗结冰性能［J］.中国激光，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］赵欢，吕晓璇，周圣文，等.金属防护用超疏水表面主要制备方法及应用研究进展［J］.表面技术，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］李艳峰，于志家，于跃飞，等.铝合金基体上超疏水表面的制备［J］.高校化学工程学报，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］曹树龙.铜材表面超疏水纳米膜构筑及抗凝露与滴状冷凝性能研究［D］.苏州：苏州大学，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

武卫东，男，副教授，上海理工大学制冷与低温工程研究所，13917527018，E-mail：usstwwd＠163.com。研究方向：制冷新技术。

国家自然科学基金（51676129）资助项目。（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.