清华大学吕存景团队：力学与微结构调控突破冰-固界面粘附强度极限

摘要：在严寒的冰雪天气条件下，飞机、输电线及其他关键基础设施表面的结冰问题不仅会带来安全隐患，还会导致显著的能源损耗，因此，防除冰问题一直是工程技术领域的一个重要研究方向。传统的防除冰方法通常依赖加热技术，但这一方法往往伴随着高能耗和系统复杂性。一种理想的解决方案是

在严寒的冰雪天气条件下，飞机、输电线及其他关键基础设施表面的结冰问题不仅会带来安全隐患，还会导致显著的能源损耗，因此，防除冰问题一直是工程技术领域的一个重要研究方向。传统的防除冰方法通常依赖加热技术，但这一方法往往伴随着高能耗和系统复杂性。一种理想的解决方案是开发具有超低冰粘附强度的表面，使得设备（如飞行器，图1A）在运行过程中，表面冰层能够在外界风力或设备自身机械振动下自发脱落（即“自除冰”）。若一目标得以实现，将显著降低系统的能耗和复杂性，将从根本上改变防除冰领域的面貌。

以正常飞行的民航客机（飞行速度约900公里/小时）为例，若依靠飞行过程中外界风力对冰层施加的剪切力来实现“风吹自除冰”，则冰与材料表面的粘附强度τice需要降低至0.1 kPa！然而，尽管近年来科研人员通过采用超疏水、超润滑表面以及降低材料弹性模量等手段来降低冰粘附强度，当前的防除冰策略距离0.1 kPa这一目标仍有很大差距（图1B）。

图1. (A) 飞机在对流层中快速俯冲，水蒸气凝华结冰难以预防（图片来源于网络）；(B) 常见的防除冰策略与对应的冰-固界面粘附强度

传统的观点认为，冰与材料之间的粘附受到一个固有的物理限制：冰剪切强度τice与基底剪切模量Gc之间存在1/2次幂的标度关系，即τice~Gc1/2。这意味着，要显著降低冰的粘附强度，就必须极大地削弱防除冰材料的机械强度。如果希望将冰与材料表面的粘附强度降低至0.1 kPa，材料的弹性模量必须降至Gc= 0.01 kPa，然而，考虑到防除冰材料自身要具备一定的机械性能，这样低的材料模量在实际设计中是不可行的。因此，依赖传统理论指导“风吹自除冰”仍无法实现这一目标。

针对这一理论瓶颈，清华大学吕存景、徐志平团队联合中国空气动力研究与发展中心，从固体力学和断裂力学的角度提出了一种创新的冰-固脱粘理论，成功地将冰粘附强度与基底弹性模量之间的标度关系从传统的1/2次幂修正为线性关系（即τice ~ Gc1.0）。在这一新理论的指导下，研究团队设计并制备了一种具有出色耐久性的弹性多孔防冰材料，其冰粘附强度低至3 kPa，达到了现有同类材料的最低水平。此外，研究团队首次在理论上预测了实现0.1 kPa超低冰粘附强度材料的实际可行性。该研究成果以“Coupling of low elastic modulus with porosity makes extreme low ice adhesion strength possible”为题，发表于《Journal of the Mechanics and Physics of Solids》。

图2. (A) 基于力学指导的超低冰-固界面粘附强度材料创新性设计方案；(B) 含不同孔隙率的超低粘附多孔弹性材料在冻融循环中的冰粘附强度变化

本研究的创新性思路为，在新的冰-固脱粘理论指导下，研究团队设计并开发了一种多孔弹性润滑基底材料（图2A），这种材料具有优越的超低冰粘附强度：(1) 弹性软基底有效减小了材料的剪切模量，从而有助于降低冰-固粘附强度，且弹性材料具有良好的韧性和耐磨性；(2) 润滑油的存在有效隔离冰与材料之间的接触，降低界面粘附与摩擦，同时还可以防止冰进入微结构并避免形成机械互锁；(3) 孔隙的存在进一步减小了材料的剪切模量和冰-固接触面积，同时增加了冰与材料表面产生裂纹的概率，这些都促使冰层更容易脱落。不仅如此，孔隙还能够锁定润滑油，提高防除冰材料的耐久性。经过30 次除冰循环或在户外露天环境中暴露120天后，所开发的材料依然保持稳定的低冰粘附强度（图2B）。

实验结果验证了研究团队提出的冰-固脱粘理论。随着基底弹性模量的降低（即孔隙率增加），冰粘附强度呈现出比传统理论预测的1/2次幂标度关系更快的下降趋势（图3A）。这一现象的核心机制在于孔隙的引入改变了界面粘附功与基底变形能之间的能量平衡。为进一步解释并量化这一现象，研究团队基于 Biot 理论与 neo-Hookean 模型，将基底骨架本构关系、孔隙变形机制与宏观力学响应有机统一，建立了适用于多孔弹性材料的本构模型，并给出了冰粘附强度的解析表达式，系统探讨了孔隙尺寸、分布及形状等对冰-固界面裂纹萌生与扩展过程的影响。实验测量和有限元模拟结果所得到的冰粘附强度、材料力学行为与孔隙率的关系均与理论解高度一致（图3B-D），进一步验证了该本构模型描述多孔弹性材料力学行为的可靠性与适用性。

图3. 基于Biot理论和neo-Hookean模型的冰-固界面脱粘理论及实验模拟结果。(A) 多孔弹性润滑材料冰粘附强度与其剪切模量服从τice~G1.0关系（绿色曲线）；(B) 孔隙率vs 拉伸比；(C) 剪切模量vs 孔隙率；(D) 剪切/拉伸强度vs 孔隙率

本研究展示了力学设计在指导防冰材料研发中的巨大潜力。研究团队构建的粘附强度预测模型揭示了多孔弹性基底中孔隙与基体变形之间的耦合机制，显著改变了人们对冰粘附强度与基底弹性模量之间关系的认识，为将冰粘附强度的下限从1 kPa进一步降低至0.1 kPa提供了理论基础和材料设计指导（图3A）。这一成果为未来开发更低粘附力的新型材料体系（如凝胶、互联孔结构基体、被动/主动结合除冰方案）以达到“自除冰”的目标指出了研究方向，并对材料科学、表面物理及工程应用具有重要推动作用。

清华大学航天航空学院吕存景、徐志平为本文的共同通讯作者，清华大学航天航空学院博士生杜宏铖为本论文的第一作者，中国空气动力研究与发展中心为该研究的合作单位。本项目得到了国家自然科学基金和科技部国家重点基础研究发展计划的资助。

吕存景团队近年来通过力学与多学科交叉融合，深入研究微纳结构表面在复杂工况下的力学行为与物理规律。团队聚焦极端润湿调控、防除冰及高效冷凝散热等关键领域，致力于突破现有理论和技术瓶颈，建立新的力学理论与技术方法，为相关领域的创新设计与产业升级提供坚实的理论支撑与技术解决方案。