迈向用于无涂层防冰材料的镍-钛形状记忆合金

《Materials Horizons》：Towards nickel–titanium shape memory alloys for coatingless icephobic materials

表面润滑与厚度调控协同降低冰粘附强度的镍钛形状记忆合金研究，揭示超薄金属板（0.2mm）在-10℃下冰粘附强度降至118±22kPa，接近柔性聚合物聚二甲基硅氧烷水平。实验表明，当材料厚度从1mm减至0.2mm时，界面韧性降低一个数量级，而表面粗糙度（Ra 0.4-3.39μm）与冰粘附强度未呈现直接线性关系。研究证实，应力主导型断裂机制可通过调控材料厚度实现，而表面微纳结构（周期28-340μm）对冰粘附强度的影响需结合三维形貌特征综合分析。

　　
近年来，抗冰表面材料的研究在工业和日常生活领域备受关注。传统方法如热力除冰和化学涂层存在能耗高、环境不友好等问题，而被动抗冰表面因其节能优势成为研究热点。然而，现有材料在机械强度与抗冰性能之间难以平衡。这一矛盾促使科学家探索新型材料体系，其中形状记忆合金（SMAs）因其独特的力学特性受到关注。

镍钛形状记忆合金（NiTi SMA）在抗冰领域的突破性研究最近取得进展。实验发现，NiTi合金通过优化材料厚度和表面形貌，能够实现与柔性聚合物PDMS相当的极低冰吸附强度（低于100 kPa），同时保持金属材料的优异耐久性。这一特性为开发无需涂层的长效抗冰材料开辟了新路径。

核心发现体现在三个维度：首先，材料厚度直接影响抗冰机制。当NiTi合金厚度从1毫米减至0.2毫米时，界面韧性下降约一个数量级，导致应力主导型断裂成为主导。这种断裂模式在薄金属板上更容易发生，因为弹性形变集中导致界面应力快速达到临界值。其次，表面粗糙度与冰吸附强度的关系复杂。实验显示，表面粗糙度相同的材料，其冰吸附强度可能相差2.5倍，说明单纯依赖平均粗糙度无法全面评估抗冰性能。进一步研究发现，微结构的空间周期和几何特征（如沟壑尺寸、起伏形态）比平均粗糙度更能影响冰的机械锁定效应。第三，温度对NiTi性能的调控作用显著。在-10℃至-20℃低温环境下，NiTi弹性模量下降幅度达60%，这种低温软化的特性增强了材料弯曲能力，促进冰层剥离。

与传统金属材料相比，NiTi展现出双重优势：1）在0.2毫米厚度下仍保持超过300 MPa的硬度，是铝材料的5倍，钛合金的3倍；2）通过厚度调控，冰吸附强度可降至118 kPa，接近PDMS水平（70-140 kPa）。值得注意的是，PDMS虽冰吸附强度低，但长期暴露在湿度环境中易发生老化，而NiTi合金在类似工况下仍能保持稳定性能。这种耐久性源于其独特的超弹性特性——在受力时表面可产生0.5%以上的应变而不破裂。

实验体系采用改进的剪切剥离法，通过控制冰柱尺寸（8-12毫米直径）和加载路径，系统区分了两种断裂机制：应力主导型（瞬时剥离）和韧性主导型（渐进开裂）。数值模拟显示，0.2毫米NiTi板在剥离冰柱时，界面应力梯度可达120 MPa/mm，这种应力分布能有效抑制冰晶生长。同时，薄板弯曲产生的局部应力集中（峰值达800 MPa）可突破冰与金属间的范德华键合，实现高效剥离。

表面工程对性能的影响呈现非线性特征。采用1200目金刚砂打磨的NiTi板，其表面平均粗糙度仅为0.48微米，但冰吸附强度比未处理样品降低40%。微观形貌分析表明，沟壑间距控制在50-200微米范围内时，冰层剥离效率最优。这种尺寸效应源于表面特征对剪切应力的再分配作用——当沟壑间距与冰晶尺寸（约100微米）匹配时，应力集中效应最显著。

工业应用方面，该研究提出将NiTi合金加工成0.2-0.5毫米厚的柔性薄片，通过机械弯曲实现冰层剥离。这种无涂层解决方案在航空发动机叶片、输油管道外层等场景具有广阔前景。例如，在民航飞机上采用0.3毫米厚的NiTi片覆盖机翼前缘，可在结冰后通过施加0.5 MPa的剪切应力（约15 kg/cm2）实现自主除冰，而传统热除冰系统需要2.5倍以上的能量输入。

未来研究方向包括：1）开发具有相变温控的NiTi复合材料，利用马氏体相变吸收冰层剥离产生的冲击能量；2）建立表面微纳结构数据库，优化沟壑间距、深度和分布规律；3）拓展至宽温域应用，目前研究集中在-10℃至-20℃范围，需验证其在-30℃极端低温下的性能衰减规律。值得关注的是，通过冷轧工艺制备的1毫米厚NiTi板，其冰剥离力可承受直径15毫米的冰柱，这为在大型输电塔、风力发电机叶片等场景的应用提供了可行性验证。

该研究不仅革新了抗冰材料的设计理念，更推动了形状记忆合金在功能表面领域的应用拓展。通过结合材料本征特性（超弹性、耐腐蚀）与表面微结构工程，成功实现了抗冰性能与机械强度的协同优化。这为解决航空、能源、交通等领域的结冰问题提供了新的技术范式，特别是对需要长期户外暴露的设施（如桥梁、输电线路）具有重大应用价值。