冰在飞行器、电线、涡轮叶片等结构表面的粘附给工业生产带来极大危害,例如飞机机翼结冰后容易发生失稳,集成光伏被冰雪覆盖后转换效率大大降低。传统的除冰方式存在污染环境、能源消耗大等显著缺陷,因此新型除冰方式的开发备受关注。本文分别设计了一种相变除冰装置和一种可大面积制作的疏水防冰铝基表面,通过实验探究了其防冰和除冰性能,揭示了其防冰和除冰机理。主要内容如下:使用柔韧的PDMS薄膜与透明的带凹坑PMMA基底设计了一种相变除冰装置,该装置利用凹坑中水结冰产生的膨胀力冲击表面覆盖的冰层,冰粘附强度最小值仅为0.328 kPa,不及普通的PDMS材料表面冰粘附强度的1%。研究了凝冰时间、孔径大小和排列对装置表面冰粘附强度的影响,给装置的优化设计提供了指导。实验结果表明该装置经历长时间的浸泡和水流、砂砾的冲刷后表面的冰粘附强度始终小于3 kPa,表现出优异的稳定性。使用有限元分析模拟了冰在该装置表面的脱附过程,结合刚体-弹性体界面断裂理论分析了该装置的除冰机理,得出当拉力作用于冰层时,由于薄膜底部相变膨胀力的作用给界面处引入初始的应力分布,使冰在表面的脱附模式发生了改变,且所需的除冰切向力更小。研究了孔径大小对冰粘附强度的影响,对于单孔装置,孔径越大,降低冰粘附强度效果越显著,这与实验结果趋势吻合。以铝作为基底,通过热水反应和浸泡蜡烛灰溶液得到铝基表面的纳米结构,氟化后获得疏水防冰的铝基表面。使用扫描电镜和原子力显微镜对表面形貌和粗糙度进行表征。接触角测量和液滴撞击实验研究了表面的静态和动态润湿性,表面接触角高达163.8±0.8°,液滴从下落接触表面到反弹离开仅需要4.2 ms,表明该表面具有极好的疏水效果,满足防冰的前提。液滴在表面凝冰时间的测试结果显示在低湿度环境下普通铝表面液滴凝冰时间为216 s,防冰表面可延缓凝冰时间至1044 s。此外,通过除霜和冰粘附强度测试探究了该表面除霜和除冰能力,发现该表面霜晶很容易除去,且冰粘附强度降低至普通铝表面的13%。但多次结冰/除冰循环测试后,冰粘附强度逐渐增加。综上所述,两种防除冰设计方案均能显著降低冰粘附强度,且兼具环保清洁、低成本的优点,有望用于大面积除冰。