化学表面图案化对过冷水滴撞击冻结行为的影响机制研究

《Surfaces and Interfaces》：The Influence of Chemical Surface Patterning on the Freezing Behaviour of Impacting Supercooled Water Droplets

本研究针对航空结冰安全隐患，通过构建亲/疏水交替的图案化表面（PHEMA条纹），系统探究了表面化学图案对过冷水滴动态撞击过程中冰核形成、铺展形态及冻结行为的调控作用。研究发现图案化表面可降低冰核形成速率并引导液滴定向回缩，为设计被动防冰涂层提供了新思路。

　　

当飞机穿越寒冷云层时，过冷状态的水滴以高速撞击机体表面并迅速结冰，这种航空结冰现象会破坏机翼气流、损坏天线甚至导致发动机故障，构成重大安全隐患。目前主要依赖加热、化学喷洒或机械除冰等主动防冰技术，但这些方法会增加能耗和机身重量。因此，开发能够延迟结冰或降低冰附着力的被动防冰涂层成为研究热点。其中，结合亲水性和疏水性区域的图案化表面在控制局部结霜方面展现出潜力，但其在动态结冰条件下（尤其是过冷水滴撞击场景）的作用机制尚不明确。为此，荷兰代尔夫特理工大学的研究团队在《Surfaces and Interfaces》发表了题为"The Influence of Chemical Surface Patterning on the Freezing Behaviour of Impacting Supercooled Water Droplets"的研究论文，系统揭示了化学表面图案对过冷水滴撞击冻结行为的影响规律。

研究团队通过紫外光掩模辅助的表面接枝聚合技术，在聚丙烯（PP）和聚氯乙烯（PVC）基底上制备了宽度为150微米的亲水性聚甲基丙烯酸2-羟乙酯（PHEMA）条纹图案，条纹间距梯度设置为1.25毫米至10毫米。利用高速摄像系统（Photron SA-X2）在-10°C等温风洞中记录了直径2.6毫米的过冷水滴以4.1-6.5米/秒速度撞击样品表面的全过程，结合图像处理软件（ImageJ）定量分析了液滴铺展直径、冻结起始时间、冰核形成速率等关键参数。

3.1. 样品制备

通过共聚焦显微镜和微傅里叶变换红外光谱（micro-FTIR）确认PHEMA条纹的尺寸（宽150微米，厚<0.3微米）和基底粗糙度（PP的S_a=1.50微米，PVC的S_a=0.80微米）。接触角测试显示PHEMA修饰区域静态接触角降至41°，而原始PP和PVC分别为101°和96°，成功构建了显著的亲疏水对比。

3.2. 亲水图案对液滴撞击的影响

高速摄像分析表明，图案化表面上的液滴在达到最大铺展后，其无量纲直径β(t)保持稳定，而异质表面上的液滴则持续回缩。在最高撞击速度（6.5米/秒）下，PP基底上的图案化样品出现干涸区域（条纹间露出的未湿润区域），且干涸总面积随条纹间距减小而增加。这说明亲水条纹通过钉扎效应限制了液滴回缩，而疏水基底促进了液膜破裂和定向退湿。

3.3. 亲水图案对撞击后液滴冻结的影响

冻结概率分析显示，PVC基底上的液滴冻结概率显著高于PP，归因于PVC更高的接触角滞后（CAH=59°）可能促进界面水分子的有序排列（分子水层，MWL），为冰核形成提供有利条件。图案化PP样品在条纹间距为2.5-5.0毫米时表现出最低的冻结概率和核形成速率（J_s），而图案化PVC样品的核形成速率反而高于均质PVC。这表明亲疏水对比度（PP更高）是降低核形成速率的关键。冻结传播速率分析显示所有样品的冰锋推进速度均在50-100毫米/秒之间，与体相水冻结速率一致，表明冻结传播过程受体相动力学控制，与表面特性无关。

本研究首次通过实验证实了化学图案化表面对过冷水滴动态撞击冻结行为的调控作用。亲水条纹能够引导液滴铺展形态，并在高撞击速度下诱导干涸区域形成；而基底本身的润湿性（如PP的高接触角滞后）对冰核形成速率具有决定性影响。研究指出，通过优化图案间距（如2.5-5.0毫米）和增强亲疏水对比度，可有效延迟冻结起始时间（MFOT>1秒），为液滴充分回缩至亲水区域创造条件。该工作为设计新一代被动防冰涂层提供了重要的理论依据和实验支撑，未来需进一步研究图案形状、拓扑结构及更高撞击速度（如真实航空场景中的50-500米/秒）下的界面行为。