表面覆冰是一种非常普遍的自然现象,但是表面覆冰问题却给工业发展和人民生活带来了诸多不便甚至损失,特别是需要在极端条件下工作的机械设备、电力输送设备、航空航天设备等。传统的除冰方法在经过多年以来的应用实践中,被证明存在诸多局限性。在材料表面涂覆疏冰涂层以防止表面覆冰,成为一种便于解决表面覆冰的方式。为此,高效防冰涂层的开发成为防冰研究的热点方向。受自然界生物体表独特的润湿特性启发,已经开发出许多可以借助于诸如风、重力和振动等外力,去除表面覆冰的防冰表面材料。其中超疏水自清洁涂层材料被证明可以有效地阻止雪、霜或冰在表面集聚,且冰体与基材表面具有极低的粘附强度,有利于表面融/脱冰。但是在实际应用过程中,超疏水防冰表面材料仍有一些问题亟待解决。例如,低温条件下的防覆冰机理尚不健全,表面机械强度和耐久性不足,复杂的环境条件下防冰性能不够稳定等问题。本文基于国内外研究基础之上,对于超疏水自清洁防覆冰表面在低温条件下的防冰机理进行了探究,并且设计开发了新型式的防覆冰表面。本文的主要研究成果包括:(1)基于防冰检测设备的研发现状,系统总结了防冰设备的测量指标,设计、搭建了集成式表面冻粘检测设备,简化了试验操作步骤,提高了试验数据结果的真实性和准确性,具有广泛的应用前景,适合进行推广和使用。(2)受荷叶等具有超疏水特性的典型植物表面的启发,制备了具有结构化的超疏水表面,并对其防冰性能进行测试与分析。7075铝合金是飞机和船舶上广泛使用的材料,被用作试验基材。本研究中,通过激光加工后,在室温下经硬脂酸改性1小时后,成功的制备了超疏水自清洁表面。通过SEM,XPS,傅立叶变换红外光谱(FTIR)和接触角测量对表面形态、化学组成和润湿性进行了表征。结构化样品的形态包括圆形驼峰,方形突起和山脉状结构,并且结构化表面显示出优异的超疏水性,WCA高达166±2°。此外,利用自行搭建的检测装置对所制备表面的防冰性能进行了检测,并记录冷却水在样品上的结冰过程。构建了液滴与结构化表面之间的传热过程的传热模型,并对其界面传热行为进行了分析。这项研究为分析超疏水表面的传热过程提供了新的思路。(3)提出了一种简单的电化学处理的方法,成功地在7075铝合金上制备了具有微纳米分层结构的仿生超疏水表面,接触角为164°,滑动角为2°。通过模拟自然环境,检测了其表面的防/除冰性能,分析了不同pH值的过冷水滴撞击超疏水表面的动态过程,并基于界面间能量损耗理论,构建了液滴铺展直径与回弹高度的关系,对新型超润湿表面的设计与制备具有指导意义。(4)通过激光加工和湿法刻蚀的方法,制备了水接触角为155°,滑动角为5°的非氟化超疏水防/除冰表面。利用自行研发的表面冻粘检测设备,检测了超疏水表面和未处理铝合金表面的冰粘附强度和冰剪切强度。通过对超疏水表面的冻粘强度的检测与分析,发现冰粘附强度与冰-固界面的有效比表面积呈正相关,而冰剪切强度则取决于冰-固界面的接触形式。此外,通过构建延缓结冰时间与结冰温度间的热力学关系,计算了不同润湿特性表面的热损耗效率,定量的证明超疏水表面延迟结冰的原因。并且,在低温条件下,超疏水表面的气垫可以防止融化后的液态水二次结冰以及潜在的表面污染。(5)通过减材制造和增材制造相结合的方法,提出了一种新型的交错润湿表面的制备方法。观测到水滴在撞击收缩过程中,水滴被分裂成多个部分,可显著减少水滴结冰之前的接触时间。通过对交错润湿表面防/除冰性能测试,发现延缓冻结时间与超亲水区域直径正相关,与相邻亲水区域的距离负相关;而且疏-亲水区域之间的边缘处的应力集中,使得冰剪切强度的显著降低。此外,在实际环境测试中,在交错润湿表面上发现了与釉冰和霜冰不同的类颗粒状冰,因其与基材接触面积较小,更易于去除。通过循环结/融冰和摩擦磨损实验,对其机械强度和耐久性进行了检测。因此,这种新型交错润湿表面表现出优异的防/除冰性能,具有潜在的应用前景。