0  引言

继2017年11月中俄双方明确要“共同开展北极航道开发和利用合作，打造冰上丝绸之路”之后，2019年1月，中芬双方也要“共建冰上丝绸之路”。1月26日，国务院新闻办公室在京发表《中国的北极政策》白皮书，强调北极航线具有商业价值的可能性越来越大。冰上丝绸之路即北极航道，是穿越北极圈，连接北美、东亚和西欧三大经济中心的海运航道，当今，冰级船舶的建造给造船厂带来了新订单。

冰级船舶（Ice class ship），指航行于冰区的船舶，按船级社规则适当加固，可在某种程度冰情时航行。在北极地区航行时，船舶甲板、海水吸口、甲板管系、通风开口、液压系统等重要部件容易结冰。抗结冰性和高耐磨性涂层对于冰区船舶来说是保障低温条件下船舶安全的必要要求。

1　抗结冰高耐磨涂层

冰上丝绸之路航行的特点之一在于即使有破冰船开辟航道，仍然会有冰块与船体发生撞击。研究发现：冰面与新船的钢壳之间的摩擦系数达到了0.2

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，这就要求冰级船舶涂层具有强度高、韧性好、不开裂等耐磨性和耐冲击性；另外，结冰是冰区最常见的现象，如何使船体抗结冰亦是冰区船舶涂层的要求之一。

1.1　抗结冰机理

樊玲

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从热力学观点分析了水结冰的原理，指出水结冰过程为：1）水在固体表面形成不稳定的晶胚；2）继续降温，不稳定晶胚形成晶核；3）晶核长大，长出棱角，即枝晶生长；4）多重枝晶生长，形成冰层。由此可见，水在物体表面结冰，首先需要覆盖一定面积的表面，而一旦开始结冰，空气中的水蒸气就会在其上生长成为冰晶。水覆盖的表面积取决于接触角的大小，也是固液两相之间的分子间作用力相对大小，即水滴的表面张力和被覆盖物体的表面性能。接触角越大，水滴越不容易附着在物体表面，把接触角大于150°、滚动角小于10°的表面叫做超疏水表面，超疏水表面的获得可以通过改变其表面张力或者改变表面结构来实现

[3]

。

1.2　涂层磨损机理

张建伟等

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对高分子材料涂层在碰撞条件下的剥落机制进行了有限元模拟分析，认为工程中实际的破坏通常是张开和剪开型裂纹复合破坏，应属于划痕和刮伤。除受涂层的倒角半径和碰撞角度影响外，摩擦磨损主要受两方面影响，一是在表面或表面变形层产生的剪切力，再是由于在表面或表面变形层出现的弹、塑性变形以及断裂行为。第一阶段发生的是静摩擦而无材料转移；第二阶段在连续受到冰块摩擦力的作用下，接近表面的材料发生塑性形变乃至断裂，材料发生转移则形成裂纹、扩展直至材料最后从表面脱离，形成磨屑。冰区船舶在航行中船体涂层上则有黏着磨损、磨粒磨损和疲劳磨损等多重磨损机理共同存在，所以要达到冰区船舶涂层的耐磨要求，还是要从提高涂层材料的韧性着手。

2　抗结冰高耐磨涂层的研究进展

目前除机械除冰外，将涂层赋予抗结冰性质的手段主要有两种，一是通过电加热的方式物理防结冰；二是覆盖超疏水涂层，使水无法在涂层上停留进而防结冰的方式。耐磨性则普遍采用高韧性的橡胶基底来复合得到。以下是国内外抗结冰高耐磨涂层的研究的技术进展。

2.1　电加热系统防结冰进展

黄正勇

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利用电热涂料除冰的原理首先制备一种半导体电热涂层作为基底材料，再通过增加涂层表面的粗糙度、降低涂层的表面能、以纳米粒子的“自组装”形式在基底表面构造了具有粗糙结构的超疏水表层。制造了一种有耐磨、超疏水性质的半导体复合涂层，通过了耐磨、防冰性能测试。结果表明：在复杂曲面上采用“自组装”移动喷涂法可以获得耐磨的半导体涂层，电加热系统赋予其防结冰性。

马辉等

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在雾化水滴冰洞条件下测试复合材料部件电加热防冰系统，通过改变结冰条件、电加热条件得出不同的抗结冰曲线，经过分析认为：采用双（多）区电加热防冰方式可以均衡热流分布，减小复合材料各区间的温度差，达到较好的防结冰效果。

Mahdi  Pourbagian

[7]

研究了电加热系统的控制理论，并进行仿真模拟分析防结冰的影响因素，但结果尚需可靠的试验验证。

舒立春等

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将蒙皮、绝缘导热层、隔热层依次包覆于风机，通过变化的电加热丝密度和绝热蒙皮材料的热守护，明显提高了电加热防结冰效果，且提出了可被工程应用借鉴的等差分区模型。

朱光亚等

[9]

采用多指标遗传算法，模拟自然进化过程自动搜索最优，并进行试验验证，提出防冰负荷的最优加热功率分布，即湿表面结冰梯度上，加热功率由前向后依次增大，使防冰系统的加热总功率最低。

胡林权

[10]

研究了波音787飞机机翼加热的程序控制和布线设计，分析了电加热防结冰技术的应用难点，得出了电加热除冰具有效率高、能耗低、易维护、无污染等优势的结论。

2.2　超疏水抗结冰涂层研究进展

Wenzel模型

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和Cassie-Baxter模型

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是固液接触面的润湿理论模型，基于此这2模型得出的固液润湿结论为：固体表面结构及表面能对于超疏水表面的获得影响很大；越粗糙的表面越具备低的表面能性质，可达到超疏水效果；得到粗糙表面则需要构建多层级固体表面结构

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，根据这一理论，构建多层级固体表面结构目前常用的方法有刻蚀法、模板法、制备疏水化纳米材料涂层等。

2.2.1　刻蚀法

刻蚀法是采用溶液、激光、机械等方式对基体进行微加工，以期构建粗糙的微观结构表面，再复合上低表面能材料进行化学修饰，最终得到超疏水表面的方法。但是在试验中有些基体仅仅改变表面微结构即具有了超疏水性。

潘俏菲等

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用紫外纳秒脉冲激光微纳加工不锈钢表面再用不同的低表面能化学修饰剂浸泡，比较了不....