纳秒激光诱导TC4 微结构表面抑冰特性实验研究

杨广峰，刘玲，夏海洋，崔静

（中国民航大学 a.航空工程学院 b.交通与科学工程学院，天津 300300）

冰霜附着在部件表面，会影响部件的工作效率及使用寿命，如电力输送、海上石油开发及热泵供暖等领域[1-5]，冰霜的附着严重制约了它们的发展。尤其是对环境要求严苛的飞机来说，空气中的水蒸气在飞机机翼沉积结霜、结冰，会增加起飞时的阻力，影响飞机的气动外形。发动机进气道结冰，会导致发动机进气量减小，若冰块破碎脱落进入发动机，会损伤压气机叶片，影响飞机的稳定性[6]。因此，研究飞机发动机进气道结冰、结霜问题及其机理具有一定的现实意义。

现有的飞机除冰方式有机械除冰[7-9]、液体除冰[10-11]及热力除冰[12-13]等方法。虽然这些方法有一定的效果，但是需要在飞机上添加防冰除冰装置，不仅会增加飞机质量，而且成本上升及设计复杂化，难以满足现代新型飞机轻量化的要求。因此，发展出绿色、新型的主动防冰技术具有重大的意义。

张友法等人[14]采用喷砂处理和表面氧化处理的方法在铜片表面形成微纳米复合结构，再采用氟硅烷进行表面化学处理后，与水滴的接触角为131°，滚动角为1°，从而减缓了水分子在低温下的凝结，使其防结霜性能更优。鲁祥友等人[15]运用化学刻蚀-氧化法制备了微纳复合结构超疏水铝表面，分别在不同温度下对比了普通铝片和超疏水铝片的霜晶参数，得出超疏水表面相对普通铝片具有一定的抑霜效果。武壮壮等人[16]基于控制材料表面能和表面形貌两个基本原则，通过超快激光加工，结合纳米SiO2/氟化聚氨酯涂料喷涂，获得了微纳结构涂层表面，分别研究分析了4 种不同形貌的Ti 合金表面。结果表明，微纳结构的涂层表面具有最佳的超疏水性。龙江游等人[17]利用飞秒激光制备了不同微观特征的微纳米结构，并经过化学修饰之后，都具有超疏水性和不同的粘附性，低粘附性的样品表面具有更为优异的抗结冰性能。于竞尧等人[18]发现在未经任何化学修饰的情况下，仅在空气中放置一段时间后，由飞秒激光直接制备的铜表面具有更好的疏水特性。在低温结冰实验中，疏水微纳结构表面的结冰时间比亲水表面的结冰时间延长了1 倍，且表面接触角越大，结冰延迟效果越好。Guo 等人[19]在不锈钢表面制备了微米级结构，延迟结冰时间达到了7200 s。Wang 等人[20]在铜表面改性制备了良好超疏水性能的涂层，结果表明，铜表面纳米氟碳涂层具有较好的防冰性能，延迟结冰时间达到了520 s。

目前关于表面的构建集中于激光加工后用涂料或者化学修饰，虽然一定程度上增加了表面的超疏水性，但其成本较高，并对人体和环境有较大危害。本文主要是针对激光加工之后，无任何修饰的条件下在TC4 基体制备不同形貌的表面，重点研究揭示表面接触角、表面能及结冰结霜参数的关系，为抑冰抑霜低粘滞性功能性结构表面的构建提供理论基础。

1 实验

1.1 过程

选用TC4 为基体。钛合金薄板依次采用80、240、600、1500、2000 目砂纸进行机械打磨后抛光，然后依次用丙酮和乙醇分别在超声波浴中清洗10 min。利用重复频率为20 kHz、脉宽为20 ns、扫描速度为100 mm/s 的种子源光纤激光器，在不同功率下对样品进行水平和垂直方向上的逐行扫描，扫描间距为0.08 mm。实验中仅通过改变激光功率来形成不同纳/微米结构的加工表面。最后分别用丙酮和无水乙醇进行清洗15 min，用氮气吹干。

1.2 表征

用扫描电子显微镜（Scanning Electron Microscope，SEM，S-3400 型，日立）及能谱仪（Energy Dispersive Spectrometer，EDS）分析表面形貌及元素成分。用接触角仪（JC2000D4M）采集的接触角、前进角、后退角进行表面润湿评价。

1.3 防冰防霜性能

结冰结霜测试系统如图1 所示，实验系统由半导体冷台、数据采集系统、显微摄像系统等组成。实验中，通过温度控制器和加湿器来控制恒温恒湿箱的温度和湿度，温湿度用电子温湿度测量仪来记录。将实验室环境温度控制在(10±1) ℃，相对湿度控制为60%±2%，试样表面结冰温度控制在–15 ℃，结霜温度控制在–20 ℃，对织构疏水表面和未处理的表面（置于冷台表面）进行结冰实验。其中冷台采用半导体温差电制冷方式制冷，采用低温槽制取冷却水对其进行散热，使冷台产生的热量及时散去。通过图像采集系统对水滴结冰和结霜实验进行实时监测和采集，并对采集到的图像进行二值化处理，计算表面霜晶的覆盖率。

图1 实验台Fig.1 Table diagram

2 结果与分析

2.1 表面形貌分析

激光加工后TC4 表面的SEM 图像如图2 所示。从图2a1—c1可以看出，激光扫描形成了规则的“井字形”结构。通过激光扫描，在钛合金表面形成了周期性的正方形，沿水平和垂直方向分布。凹坑的周围乳突由20 μm 增加到50 μm，这是因为随着功率的增加，单脉冲的能量密度也随之增加，基材所吸收的能量也增多，更多的金属熔融飞溅堆积在坑的周围。当激光功率为13 W 时，表面形貌由凹坑和较大的乳突组成，乳突与乳突之间不存在“正方形”的未激光烧蚀区域（如图2c2所示）。图2a3—c3中白色圆圈指示了轻微裂纹所在的位置，分析裂纹产生的原因是，钛合金表面的温度在激光作用后快速上升，由于作用的时间非常短，表面热量还未均匀扩散到周围，激光的作用就已消失，表面温度快速下降，TC4 表面在冷却的过程中出现了残余应力以及熔融材料凝固时的张力，导致钛合金表面瞬时热胀冷缩，进而出现了裂纹。激光功率为13 W 时，乳突之间的裂纹比较明显，并且在同样倍数下，激光功率大的乳突也较大（如图2c3所示）。这是因为随着激光功率的增加，TC4 表面受热而飞溅出的熔化金属增多，使得表面形成的突起增多。图2a4—c4显示了乳突上布满了粒径不同的颗粒，且随着功率的增加，粒径也在逐渐变大。放大局部图的形状形似荷花上的突起结构（如图2a4所示），尺寸约为0.1 μm，再到图2b4所示的尺寸约为0.5 μm棉花状，到功率为13 W 时变为形似脊柱状组成的颗粒。这些微小颗粒不仅使试样表面形貌进一步复杂和粗糙化，增大了表观面积，而且容易截留空气留在空腔内，从而减小固液之间的接触面积。用能谱分析仪对7、10、13 W 和未加工样品的元素变化进行了表征，样品处理前后元素含量分布见表1。未加工前，样品内的主要元素为Ti，加工后的样品主要是由O 和Ti 元素组成。说明在大气暴露下，贮藏的样品发生了氧化，生成了氧化物。C 元素由最初的1.81%分别增加到了7.86%、7.51%、5.34%，这认为是纳秒脉冲激光束击中表面后，高能活化分解反应和碳元素在表面积累的结果。

图2 不同功率下的SEM 形貌Fig.2 SEM at different power levels

表1 TC4 各元素含量随加工功率的变化Tab.1 Variation of TC4 element content with processing power wt.%

2.2 润湿性分析

不同功率下处理后的TC4 表面接触角和接触角滞后的变化如图3 所示。未加工表面对水的接触角为50.66°；经过功率为13 W 的激光织构后，TC4 表面的接触角为111.27°；经过功率为10、7 W 的激光加工之后，TC4 表面的接触角分别为137.63°、139.65°。相对于未处理的TC4 表面，接触角均有所增加。这可能是由于经过激光加工之后，TC4 表面产生了不同尺度的微米级粗糙结构，使水滴与表面的直接接触面积减少，进而使接触角增大。

图3 接触角及接触角滞后随功率的变化Fig.3 Variation of contact angle and contact angle lag with power

表观接触角只能说明液滴在某一瞬时下的平衡状态，而无法展示液滴在固体表面运动的动态过程。因此，通过对固体表面动态接触角的测量来说明液滴在固体表面的运动趋势，不同激光功率下的表面动态接触角测量结果如图3 所示。从图3 中测量数据可以看出，不同激光功率下的动态接触角滞后值也不尽相同。激光功率7、10、13 W 下网格结构的接触角滞后值分别为13.81°、17.89°、26.47°。随着激光功率的增大，表面的接触角滞后值逐渐增加，但其均小于未加工表面的接触角滞后值。这说明疏水表面对水滴的附着力很低，水滴在激光功率为7 W 时最容易滚动。

根据接触角测试结果计算表面自由能，本文采用Owens-Wendt-Kaelble 方程计算表面能大小，见式(1)。

为了更好地说明“井字形”表面的低粘附性，通过Young-Douper 方程（式(2)）来计算表面的粘附功。

式中：Wsl为固体与液体之间的粘附功；lgσ为液体与气体之间的表面张力；1θ为表观接触角。

图4 表明，激光织构后表面的粘附功均比未加工表面低，说明疏水表面的水滴有较低的粘附性，能量壁垒小，所以水滴更容易滑动，有较小的滞后值。结合图3 和图4 可知，激光功率为7 W 时，接触角最大，接触角滞后、表面能和粘附功最小，其C 元素的含量却是最高的。说明在大气环境下，钛合金表面吸附了杂质和空气中的一些非极性有机链及有机官能团取代了羟基，从而降低其表面能，因此表面接触角在增大，而接触角滞后较低，说明水滴在表面上极易滚动，其粘附性很低。

图4 表面能、粘附功与激光功率的关系Fig.4 Relationship between surface energy, adhesion work and laser power

2.3 抑冰性能分析

从微观角度分析，水滴结冰过程可以概括为：预冷—形核—冰层的生长[21-22]。首先，在预冷阶段，不同功率下的接触角不同，而接触角的大小决定了固液间接触面积的大小。这就导致了液滴与冷台之间的传热效率不同，且液滴与表面之间存在的空隙也会影响热量的传递，所以计算水滴与表面之间的接触面积也是很有必要的。

为了准确计算液滴与不同表面的接触面积[23]，分两种情况进行计算。对于接触角>90°（如图5a 所示），表面张力占主导地位时，液滴呈完美的球缺状，其公式见式(3)；对于接触角<90°（如图5b 所示），重力占主导地位时，液体在光滑表面呈扁平状，此时表面张力小，液膜厚度均匀，从而可以推导接触面积，见式(4)。

图5 液滴与表面接触示意Fig.5 Diagram of droplet contact with surface

不同样品表面在–15 ℃下的结冰过程如图6 所示。根据式(3)和式(4)可以得到液滴与材料表面的接触面积分别为：S7W=2.77 μm2、S10W=2.97 μm2、S13W=6.60 μm2和S未加工=10.27 μm2。由此结果可知，当功率为7 W 时，表面与液滴的接触面积最小，远远低于未加工表面，所带走的冷量也较少，使其传热较慢。未加工时（如图6a 所示），液滴处于亲水状态，液滴与冷表面的接触面积较大，通过冷表面带走的冷量较多，所以在很短的时间内，液滴变成乳白色的液滴。当激光功率为7 W 时，液滴处于疏水状态，液滴与冷表面的接触面积较小，通过冷表面带走的冷量少，所以液滴开始冻结的时间最晚。当激光功率为13 W 时，表面较大颗粒的存在增大了液滴与表面的接触面积，导致冷表面向液滴传递冷量的速度比激光功率为7 W 时更快，所以开始冻结的时间比7 W 时要快34 s（如图6b2和图6d2所示）。从图6a 也可以看出，未加工表面在–15 ℃下会快速结冰，结冰后水滴表面呈现“山”形，其顶部形成冰粒的曲率明显比其他功率下表面的小。观察图6a1到图6a2、图6b1到图6b2、图6c1到图6c2及图6d1到图6d2的变化可知，刚开始水滴透明，在一段时间后，由下至上逐渐失去透明性，可作为冰核形成的标志。水滴失去透明性的原因是由于在水滴内部产生了大量的晶芽，晶芽的存在改变了水滴的透光性。在图6a3、图6b3、图6c3、图6d3中白色箭头所指的地方为固液分界线，这是由于晶芽产生之后，冰晶和水滴的透光性不同而产生的一条分界线。固液分界线是从液滴底部逐渐上移至顶端，直至整个水滴完全冻结，此时作为液滴完全冻结的标志。不同功率下的表面水滴最终完成冻结的时间分别为t7W=92 s、t10W=65 s、t13W=60 s，未加工表面完成冻结的时间为45 s。这是因为形成晶芽所释放的热量会使水滴的温度升高，但过冷水滴紧靠壁面的部位传热快，热量更容易散去，所以先从底部冻结。进一步分析可发现，冰晶体的长大形态呈平面状。这是由于过冷水滴的温度分布为正温度梯度，即离基体表面越远的部位温度越高。根据晶体生长理论，当界面中有局部区域凸出到过冷度更小的液体中时，该区域的生长速度就会减慢，甚至停止，而周围的部分依然生长，这样就会逐渐使凸出的部分消失，所以其以平面状的形式长大。对于顶部桃状凸起的原因是：水和冰的密度不同，水在异相结冰的过程中会发生体积膨胀，已经结冰的部位不能形变，只能向顶部推移，加之水滴表面自身张力的作用，最终形成顶部凸起；水在凝固后，水分子之间受到氢键的作用，按正四面体结构排列，从而使得水分子之间的间距拉大，因此可以观察到水滴的体积膨胀及其形状的改变。

图6 不同激光功率下水滴冻结情况Fig.6 Freezing of water droplets at different laser power levels: a) unprocessed; b) P=7 W; c) P=10 W; d) P=13 W

结冰平均速率（即冰高度与结冰时间的比值）随激光功率的关系如图7 所示。可以看出，在水滴体积、壁面温度相同的条件下，未加工表面的结冰平均速率最高，激光功率为7 W 的表面的平均速率最低，结冰平均生长效率随着激光功率的增加而增加。在激光加工处理之后，水滴的结冰平均生长效率都比未加工表面要低，说明在激光加工之后，有效地延迟了结冰。

图7 水滴结冰平均速率Fig.7 Average rate of water droplet icing

同一水滴体积及过冷度下，水滴在不同表面下的冻结时间和冻结完成时间如图8 所示。结果表明，水滴冻结时间和冻结完成时间随激光功率的增加而减小，与表面的润湿性有关。一方面，接触角越大，其与冷板之间的接触面积就越小，冷板带走水滴的热量就少，因而冻结时间就长；另一方面，因为水滴与空气之间的接触面积随着接触角的增大而增大，周围空气对水滴的加热作用显著增强，水滴发生相变的时间也会增加，从而延长冻结时间。未加工表面的水滴冻结时间为12 s；当激光功率为7 W 时，从水滴落到表面至开始冻结的时间为71 s，是未加工表面的5.9倍；当激光功率为13 W 时，从水滴落到表面至开始冻结的时间为37 s，是未加工表面的3 倍。这是因为亲水表面与疏水表面间的接触角不同，水滴与表面之间的接触面积也不同，冷量通过冷表面传递给水滴的速率也不同。同时对比图3 接触角随功率变化的结果发现，表面冻结延迟性能与润湿性能相一致。因此，可以看出，疏水强弱直接影响表面抗结冰性能的强弱。

图8 不同表面下静态水滴冻结时间的变化Fig.8 Changes in the freezing time of static water droplets under different surfaces

2.4 抑霜性能分析

在环境温度为10 ℃、相对湿度为60%的条件下，观察冷表面温度为–20 ℃时，不同样品表面的结霜现象，如图9 所示。由于未加工样品的表面自由能相对较高，水蒸气极易吸附在光滑的钛合金表面上，5 min时，未加工样品表面生成的霜晶比其他功率下样品表面的要高。到25 min 时，表面的霜晶要比其他试样都高，且浓密。激光功率为7 W 和10 W 样品的表面自由能较低，它们的接触角仅相差2°，但功率为7 W的抑冰效能好，抑霜性能却稍弱于10 W。由此可见，霜晶的生长速率不仅仅取决于表面接触角的大小。这是因为激光功率为7 W 时的样品表面在激光烧蚀时，形成了细微的裂纹，且裂纹的数量多于10 W 样品，如图2a3白色圆圈所示。裂纹的存在增加了固体表面成核的数量，空气中的水分子更容易凝聚在粗糙表面，因此增加了固体和液体之间的接触面积，表面与液滴之间的热交换也增加，加速了霜晶在样品表面生长。而裂纹的存在和接触角小的因素加速了13 W 样品的表面霜晶生长。由此可见，加工之后，表面裂纹少的疏水表面具有更好的抗结霜能力。霜层生长初期，初始霜层的形状为针状（如图9a2所示）、稀疏的柱状（如图9b2所示）、厚密的柱状（如图9c2所示）以及稀疏的树枝状（如图9d2所示），这些霜晶独立生长。初始霜晶形状不同的原因是，同样的冷表面温度及低相对湿度条件下，不同的接触角使得霜核的形状不同。在15 min 时，表面的霜晶继续沿枝状纵向生长，且有横向生长的趋势，这是因为较低的冷面温度会导致较大的相变驱动力，较大的相变驱动力会导致较强的枝晶生长。到了25 min 时，霜晶生长得比15 min 时密实，功率为10 W 时的高度最低。比较亲水表面和疏水表面25 min 时的霜层底端，可以看出，疏水钛合金表面的霜层明显相对较为疏松，而亲水表面的霜层较为密实，这将使得疏水表面的结霜量降低，传热热阻将表现得更小。

图9 4 种表面在冷面温度为–20 ℃时的霜晶形貌Fig.9 Frost crystal maps of the four surfaces at a cold surface temperature of –20 ℃: a) unprocessed; b) P=7 W; c) P=10 W;d) P=13 W

重复3 次结霜实验，采用电子天平测量结霜前后的质量，求得不同表面的平均值作为误差棒，如图10 所示。在相同的时间内，结霜量随着激光功率的增加而增加，且都小于未加工表面的结霜量，说明激光加工后的表面抗霜能力增强。其原因是，在不同的加工参数下，材料表面所形成的形貌、粗糙度、表面浸润性不同，抗霜能力也有所不同。相比于亲水表面，接触角滞后的不同使得疏水表面的水滴更易于滚落，亲水表面的水滴聚集得更多，疏水表面少，因此在亲水表面更容易形成一层水膜。水膜与表面的接触面积变大，热交换速率变快，所以水滴在很短的时间内能够很快地冻结，进而在冻结的水滴上结出霜晶。当P=7 W 时，表面存在的细微小颗粒减少了水与表面的接触面积，且水滴在表面形成的形状更加接近于球形，所以冻结时间相对来说较晚，形成霜层的时间也相应向后推迟，霜层相比10 W 较稀疏，所以最后的结霜量比P=10 W 时小。当P=13 W 时，水与表面所形成的接触角较低，形成水滴的形状不再形似球形，而是半球形，水滴与表面的接触面积相应增大，水滴冻结时间就会比P=7 W 时的表面更早冻结，所以最终所形成的霜层质量要比7 W 时的大。

图10 霜层质量随激光功率的变化曲线Fig.10 Variation curve of frost mass with laser power

4 种不同表面霜层高度随结霜时间的变化如图11 所示。总体上，表面的霜层生长呈先快后慢的变化趋势。在结霜前5 min，霜层高度快速增长，分别为H未加工=833 μm、H7W=636 μm、H10W=318 μm、H13W=681 μm；在结霜15 min 时，霜层的高度分别为H未加工=1333 μm、H7W=1111 μm、H10W=934.75 μm、H13W=1232.25 μm；结霜时间达到25 min 时，霜层的高度相对于15 min 时分别增加了H未加工=500 μm、H7W=418.75 μm、H10W=336 μm、H13W=337.25 μm。由此可以看出，激光加工后霜层的生长速度先快后慢。这是因为，一方面，霜晶在生长的过程中逐渐堵塞表面的间隙，进而使得冰晶成核的数量减少，从而减弱了霜层的生长；另一方面，当霜层达到一定高度时，水蒸气不再是主要增加霜层厚度，而是用来增加霜层密度。从图11 中还可以看出，P=10 W 时，无论在哪个时间，均低于其他功率下的霜高，符合图9 中霜层生长的变化。在霜晶生长的整个过程中，疏水表面上霜层生长的高度与未加工表面相差不大。这是因为不同表面接触角主要影响表面结霜初期水滴冻结的过程。

图11 不同表面霜层高度随时间的变化Fig.11 Variation of frost heights on different surfaces with time

不同激光功率下表面霜晶的形成过程如图12 所示。图12 中白色区域为霜晶生成的地方，红色区域为霜晶未覆盖区域。从图12a1—c1可以看出，白色区域为初始霜晶的形成，最大粒径的大小不同，D7W=255 μm，D10W=187 μm，D13W=85 μm。接触角大的表面所形成的粒径较大，随着接触角的减小，所形成的粒径也较小。这是因为接触角大的表面，水滴与冷表面的接触面积小，不容易冻结，水珠能够相互结合变大；接触角小的表面，接触面积大，水滴在冻结之前来不及结合，所形成的粒径小。从图12a1、a2可以看出，结霜都是从四周向中间汇集，但两处结霜的生长速率不同，原因是：不同表面，尤其是凝结液滴分布不均匀的疏水表面，霜层生长不均匀，空气中的水蒸气分子在沉降过程中，极易被冻结液滴吸附，到达冷表面的水蒸气含量极少；冷表面边缘直接与附近的冷空气接触，而冰晶的生长涉及到相变，会释放潜热，因此冰晶的温度高于中心的冷表面。在t=15 min 时，在中心处，红色区域多于四周，说明中心处的抑霜效果比四周强。在t=25 min 时，霜晶形状为羽毛状、羽毛状与少量针状的结合、簇状。由白色区域可以看出，霜晶互相连在一起，类似霜桥，这是在水滴冻结之前互相联结在一起。随着功率的增加，红色区域越来越少，说明7 W 的抑霜能力最强，10 W 次之，13 W 最弱。红色区域大部分集中在中间，四周边缘都已经是白色区域，说明四周的抑霜能力较中间差。

图12 不同激光功率下表面霜晶Fig.12 Different laser power surface frost crystal top view

在t=25 min 时，不同激光功率（7、10、13 W）下的霜晶覆盖率分别为70.675%、73.652%、76.474%。随着功率的增大，霜晶覆盖率逐渐增大。这是因为功率增加后，表面烧蚀严重，超过了钛合金的烧蚀阈值，从而使得钛合金表面的抑霜性能减弱。

水在固体表面的结冰（结霜）需要经历形成冰核（霜核）和冰核（霜核）生长两个过程。其中形成冰核是冰核生长的前提条件，由经典成核理论[24]可知，水的形核速率可以表示为：

式中：Jt为整体的形核速率；Jb为水中自发成核的速率；V为水滴的体积；Jl-a为水滴与空气之间接触部分的形核速率；Sl-a为水滴与空气之间的接触面积；Jl-sub和Sl-sub分别为水滴与基材之间接触部分的形核速率和接触面积。

水形成冰核的过程分为均质形核和异质形核，均质形核即水自发形核及水与空气相接触的部分形核，异质形核即水滴与基体相接部分的形核。在相同环境条件下，阻止异质形核的能量壁垒远低于均质形核，因此异质冰核更容易发生[25]。由式(5)可知，Jt主要由Jl-sub和Sl-sub决定，而Jl-sub是由温度以及能量壁垒ΔG决定。其中：

式中：γsl为固（冰）液（水）界面能；Tsle为冻结前的温度；Tint为界面温度；Hsl为凝固潜热；f( )θ为与表面润湿性有关的参数[26]，其值由式(7)计算。

式中：θ为冰核在基体表面的接触角。在温度一定的条件下，Jl-sub只与ΔG有关。水-基体接触面的温度与传热过程中的热阻有关。对于疏水表面，其界面处是由水滴、气体和固体组成，界面中储存的空气会显著增大传热过程中的热阻，传热过程就会变得缓慢，Jl-sub就会显著降低。亲水表面是由水滴与固体直接接触，此时热阻减小，相应的形核速率就会变大，因此疏水表面形核的能量壁垒高于亲水表面。对于Sl-sub，其值为：

式中：R为液滴与表面接触时的半径；f为液滴与表面接触时的百分数；r为表面的粗糙系数。对于疏水表面来说，接触角的增大使得液体与表面接触的部分变少，即接触部分的半径小，因此Sl-sub值也会变小。

对于织构后的TC4 样品，具有微纳结构的表面有疏水特性，使其形核能量壁垒高于未加工表面，接触角大的表面，形核能量壁垒高于接触角小的表面，Jl-sub就会显著变小；接触角越大，水滴与表面的接触面积Sl-sub就越小，形核速率也会变小。这些因素使得疏水表面结冰冻结完成的时间延长，获得较良好的抑冰性能。

3 结论

1）采用纳秒激光对TC4 表面进行微织构处理，使其具有疏水性能。随着激光功率的增加，表面微纳结构尺寸逐渐增加，表面有机物的吸附量逐渐减小。其中激光功率为7 W 时，样品的有机物吸附量最多。在表面结构和表面化学成分的共同作用下，随着激光功率的增加，表面接触角减小，接触角滞后增加，表面自由能和粘附功也逐渐增加。

2）功率从7 W 增加到13 W，液滴与表面的接触面积呈现逐渐增大的趋势，导致冻结时间逐渐缩短。当P=7 W 时，液滴与表面的接触面积最小，延迟结冰时间最长，晶体平均生长速率最低。同时，研究发现，具有较大接触角的表面，结冰推迟效果更好。由经典成核理论可知，较大的表面接触角不仅增加了微纳间隙的空气热阻，也降低了液滴与基材表面的接触面积，最终延缓了形核的生成，进而实现抗结冰性能。

3）测试了接触角相近的疏水表面的抑霜效果，证明了疏水表面的抑霜性。表面结霜质量随激光功率的增加呈现先减小、后增大的趋势。激光功率为7 W时的霜层质量和霜晶覆盖率最低，且霜层之间较疏松。