在0℃以下的环境中,液态水极易在功能结构和设备表面结冰,这不仅会导致设备功能下降,更会带来严重的安全问题。在传统的防覆冰和除冰方案中,电热法防覆冰和除冰是最为有效的方法。电热法的主要原理是将电能转化为热能,使材料表面温度高于冰点(0℃),从而实现防止表面结冰及结冰后除冰的功能,但是这种方法无论在防覆冰过程还是在除冰过程都需要提供持久的电能,并且水滴会粘附在材料的表面,当停止提供电热后水滴极易再次结冰。为解决上述问题,提出并设计了一种基于双稳态可变形结构和超疏水材料的新型防覆冰—除冰系统。这种新型的防覆冰—除冰系统的主体以双稳态结构为基础,共分为三层:超疏水材料、双稳态结构和加热膜,其中的超疏水材料具有减少表面水滴粘附、延长水滴结冰时间和降低材料表面对冰层黏附力的作用;双稳态结构材料具有两种稳定的状态且热传导性较好,在多种驱动因素作用下能够实现稳态转变,并产生低频的机械振动;加热膜采用在聚酰亚胺软膜内嵌入电热合金电路的方式制备,通电时能够在短时间内迅速产生热量,驱动双稳态结构,同时融化系统表面的冰层。所设计的新型防覆冰—除冰系统结合三种材料的特性,采用电热—机械的耦合机制,以实现防覆冰和快速除冰的效果。主要的研究内容如下:(1)采用碳纤维—环氧树脂为原料制备双稳态结构,以此为基础与铜箔复合形成新的复合层结构,并在结构表面进行了化学刻蚀和低表面能处理,使结构表面接触角超过150°,滚动角小于10°,且具有耐溶液腐蚀、表面自清洁、耐紫外线、耐高低温环境交替和使用周期长等特性。(2)依据固体材料表面的浸润性理论对本研究所制备超疏水材料进行“原位结冰”试验、洁净表面整体覆冰和含杂质表面整体覆冰测试,验证了超疏水材料能够延长水滴结冰时间的作用;同时,将超疏水材料与普通的材料覆冰效果进行比较,验证了系统结构表面超疏水特性在减少表面覆冰方面的作用。(3)采用有限元分析软件ABAQUS对防覆冰—除冰系统的主体部分,即双稳态结构进行分析研究,包括:铺层对双稳态结构曲率半径及加热所需温度大小的影响;施加不同的温度场时对加热时所需温度大小的影响。同时,讨论局部加热反对称铺设的双稳态结构后其变形情况,并与正交铺设的双稳态结构的实验结果进行对比,验证热驱动法适用于正交铺设的双稳态结构的思路,为防覆冰和除冰实验中双稳态试件类型的选择提供参考。最后,采用实验与数值模拟结果对比的方法验证有限元法结果的可靠性。(4)采用超疏水材料层、双稳态结构层和PI—电热软膜层相结合的方式完成了系统主体结构的组装,搭建低温环境下的实验平台,对新型防覆冰—除冰系统进行防覆冰和除冰性能测试,验证所设计的新型防覆冰—除冰系统防覆冰和除冰具有较好的性能,并且能够有效处理冰融化形成的液态水,不易产生二次结冰现象。