超疏水表面技術在發動機防冰部件中的應用

楊軍，張靖周，郭文，劉華

(1.南京航空航天大學，江蘇南京210016；2.中國燃氣渦輪研究院，四川成都610500)

超疏水表面技術在發動機防冰部件中的應用

楊軍1，2，張靖周1，郭文2，劉華2

(1.南京航空航天大學，江蘇南京210016；2.中國燃氣渦輪研究院，四川成都610500)

超疏水表面技術對防止發動機進口迎風部件結冰具有重要的工程應用價值。通過介紹接觸角、滾動角等潤濕性模型及低表面能物質微觀成分，闡述了超疏水表面的工作原理，及可用于發動機防冰部件的超疏水涂層表面和超疏水金屬表面的制備方法；分析了超疏水表面具有的疏水性能和疏冰性能對發動機防冰的影響；展望了超疏水表面技術在發動機防冰部件的應用前景，并提出了應用超疏水表面技術防冰存在的問題，為研制新型、高效的發動機防冰系統提供了新的思路和途徑。

航空發動機；防冰；超疏水表面；接觸角；滾動角；低表面能物質

1 引言

飛機在積冰氣象條件下飛行時，發動機進口部件可能出現積冰現象。積冰對發動機的影響很大，輕則造成發動機功率降低，重則造成發動機毀損，引起飛行事故。為保證飛行安全，發動機進口部件需采取相應的防冰措施。如斯貝MK202發動機利用壓氣機熱氣對整流帽罩和進口葉片進行防冰，F135發動機采用電加熱對前風扇機匣進行防冰。這些防冰措施結構復雜且耗能大，國外已開始采用在發動機易結冰部位制備超疏水表面的方法來起到被動防冰的作用。

天然的超疏水表面是生物在自然界長期進化的結果，最典型的代表是荷葉效應。隨著仿生學的發展，20世紀50年代國外開始對超疏水表面進行理論研究，并在90年代得到快速發展和應用。近年來，特別是2008年南方冰災后，超疏水表面成為國內研究的一個熱點，許多新穎的制備材料和工藝得到不同程度的發展，其獨特的超疏水功能不斷得到驗證和應用。本文介紹了超疏水表面的工作原理和制備方法，分析了超疏水表面的超疏水性能對發動機防冰的影響，可為發動機進口部件的防冰設計提供參考。

2 超疏水表面工作原理

2.1 固體表面潤濕性模型

表面潤濕性是指當液體和固體表面接觸時，液體可逐漸滲入或附著在固體表面的特性，由固體表面自由能和表面微觀結構共同決定。一般可用液體在固體表面的接觸角和滾動角的大小來衡量。

2.1.1 接觸角模型

對于平整光滑的固體表面，其潤濕性可用接觸角來衡量。當固體表面水滴較少時，水滴形狀取決于水滴大小及水滴與固體表面的接觸角。若水滴的平均有效直徑為微米級，甚至更小，則水滴的重力影響可忽略，此時水滴的形狀接近于球帽形，如圖1所示。水滴與固體表面的接觸角取決于固體表面條件。若固體表面是理想表面(光滑、平坦、堅硬、均勻)，則固體、氣體、液體界面間表面張力達到平衡時體系總能量趨于最小，這時接觸角可用著名的Young氏模型[1]表示：

式中：γsv、γsl、γlv分別為單位面積固-氣、固-液、液-氣界面的表面張力；θ為氣、固、液三相平衡時的接觸角，也稱理想表面接觸角。當θ＞90°和θ＜90°時，固體表面分別表現為疏水性和親水性；而θ＞150°和θ＜5°時，固體表面分別表現為超疏水性和超親水性。由式(1)可看出，θ越大，γsl越大，固體表面自由能就越小。

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

Barthlott等[2]對荷葉表面進行研究，發現荷葉表面有柱狀突起和蠟質涂層，認為荷葉表面的特殊潤濕性能是微米級的柱狀突起粗糙結構和疏水性蠟狀物共同作用的結果。江雷[3]進一步研究發現，荷葉表面微米結構的乳突上還存在納米結構，并認為這種微米結構與納米結構相結合的階層結構，是引起表面超疏水的根本原因。考慮到實際固體表面的粗糙度，Wenzel對Young氏模型進行了修正，提出了Wenzel模型[4]：

式中：r為固體表面粗糙度因子，即粗糙表面實際表面積與表觀表面積之比；θ′為粗糙表面的實際接觸角。

按照Wenzel的觀點，粗糙表面的存在使得實際固體、液體接觸面積要大于表觀固體、液體接觸面積。這是因為Wenzel假定液體會完全填滿粗糙表面上的凹槽，如圖2所示。可見r＞1，故對于親水表面，θ′＜θ，即親水表面在增加粗糙度后更加親水；對于疏水表面，θ′＞θ，即疏水表面在增加粗糙度后更加疏水。

圖2 Wenzel模型示意圖Fig.2 Scheme of Wenzel's model

Cassie等[5]在研究自然界大量超疏水表面結構后認為，液滴與粗糙的疏水表面接觸時，液滴不會完全填滿粗糙表面上的凹槽，液滴下部有空氣存在，表觀上液體、固體接觸，其實是一部分液滴與固體表面突起部分直接接觸，另一部分液滴與凹槽下部的空氣接觸，如圖3所示。并為此提出一種新模型——空氣氣穴模型[5]：

式中：f1和f2分別表示與液滴接觸的固體表面、空氣表面的面積分數(f1+f2=1)，θ1和θ2分別表示液滴與固體表面、空氣表面的本征接觸角。由于液滴與空氣的接觸角為180°，故式(3)可改寫為：

圖3 Cassie模型示意圖Fig.3 Scheme of Cassie's model

由式(4)可看出，對于粗糙的疏水表面，固體表面的面積分數越小，空氣氣穴所占面積越大，表觀接觸角越大，疏水性能越好。由此可得，獲取發動機防冰部件超疏水表面的最好方式，是改變其迎風表面的微觀構造，進行微納米化，增加空氣氣穴所占面積，減小水滴與防冰部件迎風表面的實際接觸面積。

2.1.2 滾動角模型

在重力作用下，水滴在傾斜固體表面上有下滑趨勢。如圖4所示，隨著α的變大，水滴沿傾斜方向的力mg?sin α在不斷增大；當α大到某一臨界角度時，水滴下滑，此時的α就是水滴在此種固體表面的滾動角。

圖4 水滴的滾動角Fig.4 Sliding angle of a water droplet

1962年Furmidge提出了水滴在表面自發移動所需滾動角的計算方程，后來Wolfram等提出了描述液滴在各種光滑平面上的滾動角方程，Murase在Wolfram的方程基礎上提出了描述滾動角和接觸角之間關系的方程；Watanabe等則進一步提出了粗糙表面上滾動角和接觸角的關系[6]。

Aussilous和Chen等[7，8]對液滴在超疏水表面上的動態過程作了更深入的研究，認為超疏水表面上液滴與固體表面及空氣間的一維三相線非常關鍵。因為隨著接觸角的增加，液滴與固體的接觸面積減少，滾動角也減小，有利于液滴運動。因此，只要發動機防冰部件表面的滾動角足夠小，撞擊到其表面的水滴就很容易脫落，而不會結冰。

2.2 低表面能物質

固體表面的疏水性能與表面能密切相關。表面能低，接觸角大，當接觸角大于90°時呈明顯的疏水性。疏水材料中有機硅和有機氟的表面能較低，且含氟基團的表面能依—CH2—＞—CH3＞—CF2—＞—CF2H＞—CF3的次序下降[9]。水易與氫粘合，水和冰能吸入具有氫結合成分的襯底。冰附著力低的表面應是無氧原子或更具惰性的原子、原子團將氧原子隔開，所以聚合的碳氫化合物和碳氟化合物的表面能低，具有低吸水性和低冰附著力。

常用的低表面能材料主要是有機氟樹脂、有機硅樹脂及其改性樹脂。含氟聚合物材料中，由于C—F鍵的鍵能大，氟原子與碳原子結合牢固，且氟原子核對其核外電子及成鍵電子云的束縛作用較強，C—F鍵的可極化性低，含C—F鍵的聚合物分子間的作用力較低，使其表現出優異的耐水性、耐油性和耐沾污性。硅樹脂是具有高度交聯結構的熱固性聚硅氧烷體系，由于分子具有很好的柔順骨架，使聚合物鏈段易于調整成低表面能的結構構型，臨界表面張力明顯低于其它樹脂，僅略高于氟樹脂。除氟硅材料外，可用來制備超疏水涂層的還有聚烯烴、聚碳酸酯、聚酰胺、聚丙烯腈、聚酯、不含氟的丙烯酸酯、熔融石蠟及一些無機物等，但一般需配合一定的構建技術。

3 超疏水表面制備方法

制備超疏水表面通常有兩種途徑：一是對具有低表面能的疏水性材料進行表面粗糙化處理，二是在具有一定粗糙度表面上修飾低表面能物質。人工制備超疏水表面雖然時間不長，但發展特別迅速，有效的制備方法也越來越多[10]。目前，可用于發動機防冰部件的人工超疏水表面主要包括超疏水涂層表面和超疏水金屬表面。

3.1 超疏水涂層表面

美國一些公司制備的超疏水涂層已開始在飛機上應用。目前國內應用于飛機和發動機的涂層還不具有超疏水性，但超疏水涂層制備方法已有多種。趙永剛等[11]以高嶺土增強的聚二甲基硅氧烷為軟模板，通過軟刻蝕中的微模塑方法復制荷葉表面的微米-納米復合結構信息，再通過熱模塑制備出與荷葉表面相同結構信息的高密度聚乙烯超疏水表面；魏海洋等[12]用微乳液聚合法制備了丙烯酸全氟烷基乙酯和甲基丙烯酸甲酯的無規共聚物，采用溶劑揮發成膜法一步制備了具有超疏水性的該聚合物膜，且水滴在該聚合物膜上的靜態接觸角可達160°，滾動角小于3°；李舉豹等[13]用含二氧化硅溶膠和聚苯乙烯乳液的雜化乳液，通過簡單的浸漬提拉法在玻璃基片上獲得薄膜，薄膜經熱處理后，在乙醇中經三甲基氯硅烷修飾，獲得了超疏水性能。

3.2 超疏水金屬表面

發動機防冰部件使用的材料主要有鋁合金、鈦合金、不銹鋼及復合材料。劉圣等[14]對鋁合金進行硬質陽極氧化使其表面微納米化，然后利用低表面能的氟涂料進行表面修飾，制備出接觸角達154°、滾動角小于6°的長壽命超疏水涂層；李松梅等[15]采用陽極氧化法在鋁合金表面原位構造粗糙結構，經表面自組裝硅氧烷后得到超疏水表面。張友法等[16]利用棕剛玉對鋼片表面進行高能微米噴丸，在鋼片表面成功構建了微米-納米復合結構，然后再利用氟硅烷乙醇進行表面修飾，使鋼片表面與水滴的接觸角高達160°，滾動角小于2°。這些都為金屬表面構造仿生超疏水表面防冰奠定了基礎。

4 超疏水表面在發動機防冰中的應用

4.1 疏水性能

發動機進口迎風部件制備成超疏水表面，撞擊到表面的水滴聚集在一起，在自身重力或外力作用下迅速脫落。這是因為超疏水表面上的液態水處于Cassie-Baxter狀態，大大減少了液態水與固體表面之間的接觸面積，移去超疏水表面的水滴僅需很少能量。楊常衛等[17]通過理論分析認為，相同質量情況下，水滴與普通硅片表面之間的粘性力是水滴與超疏水硅片表面之間粘性力的347.6倍。趙坤等[18]通過試驗證明了鋁合金基體超疏水表面具有良好的超疏水能力。

4.2 疏冰性能

發動機進口迎風部件制備成超疏水表面，在強大的氣動力、特別是發動機的振動和離心力作用下，積冰容易脫離。這是因為超疏水表面的微米-納米復合結構使冰和固體表面存在大量空隙，減小了冰與固體表面之間的接觸面積，導致超疏水表面與冰層間的粘附力較低。楊常衛等[17]通過試驗表明了超疏水表面與冰層間的粘附力，僅為聚亞胺酯漆層與冰層粘性力的十分之一。

4.3 防冰性能

發動機進口迎風部件制備成超疏水表面能延緩或阻止積冰形成，降低防冰系統能耗。當冰由水蒸氣凝華而成時，超疏水表面較大的接觸角使結冰的熱力學勢壘更大、活化率更低，水珠的液核難以生成，初始水珠出現的時間延后；生成的水珠曲率半徑更小，水珠表面的飽和蒸汽壓更高，水珠的生長速度更緩慢。當冰由液態水凝結而成時，超疏水表面較大的接觸角使生成的水珠更易合并長大，液滴高度更高，離固體表面更遠，與冷表面的接觸面積更小，減小了換熱量，固定表面損失熱量少，水珠不易凍結。另外，超疏水表面較大的接觸角、較小的滾動角，使得水珠與固體表面的粘附力很小，在重力、風力、離心力等外力作用下易脫落。楊常衛等的加熱防冰試驗顯示，超疏水涂層表面不會溢流冰層并能節省大約34%的能量；趙坤等的防結冰性能試驗顯示，當鋁合金表面水滴已完全結冰時，超疏水鋁合金表面水滴大概只有1/2的水結冰，證實鋁合金超疏水表面的水珠凍結更慢。

5 結論與展望

超疏水表面技術應用到發動機防冰部件不僅可以防冰，而且納米結構具有的自清潔功能還能減緩防冰部件的腐蝕，提高發動機的可靠性和使用壽命。另外，超疏水表面防冰不需要管路和引線，不需要提取發動機功率，對發動機性能和防冰部件結構沒有影響，是一種非常理想的防冰方式。

目前應用超疏水表面對發動機進行防冰，技術上還不夠成熟。如人工制備的超疏水表面微觀粗糙結構的機械強度還不甚理想，長期暴露于大氣環境中容易老化、污染，超疏水性能會逐漸降低；超疏水涂層需通過特殊的基底材料與發動機防冰部件結合在一起，但目前對粘附材料的研究還比較少；對超疏水表面疏水、疏冰及防冰能力的研究主要針對靜止件，而發動機自身有一定振動，進口迎風部件表面有較大的氣動剪切力，旋轉件表面還有較大的離心力；防冰效果還需大量試驗驗證等。但隨著超疏水表面制備方法和制備工藝的發展，表面粗糙結構力學性能的改善，低表面能物質的粘附性、穩定性的提高，超疏水表面技術為研制新型、高效的發動機防冰系統提供了新的思路和途徑。

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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

楊軍(1973-)，男，四川遂寧人，高級工程師，博士研究生，主要從事航空發動機空氣系統與熱分析工作。