干燥和湿雪在金属表面上的剪切和拉伸黏附力

《Cold Regions Science and Technology》：Shear and tensile adhesion of dry and wet snow on metallic surfaces

　　达米亚诺·法萨尼（Damiano Fasani）|费德里科·切尔努斯基（Federico Cernuschi）|法比安·沃尔夫斯佩格（Fabian Wolfsperger）|马塞拉·巴洛尔迪（Marcella Balordi）|路易吉·皮埃特罗·玛丽亚·科伦坡（Luigi Pietro Maria Colombo）
RSE有限公司（RSE S.p.A）
能源系统研究部门（Ricerca Sistema Energetico）
地址：Via Rubattino 54, 20134, 米兰，意大利

**摘要**
在架空电力线上，雪套的形成受到湿雪条件的促进，在寒冷地区工程中仍然是关键的载荷和可靠性问题。本文介绍了一项实验研究，包括：
（i）一种新型雪样本制造系统，用于生产可重复的干雪和湿雪样本；
（ii）一种便携式粘附测试装置，可在实验室和现场环境中进行剪切测试。
利用液水含量（LWC）在0至41%范围内的雪样本，我们量化了雪与金属之间的机械粘附力，测试对象为三种不同粗糙度（Ra）的铝合金表面——这一范围对于功能化处理和抗冰/防雪涂层沉积前的基材准备非常重要。据我们所知，这是首次系统性地研究如此广泛LWC范围和表面粗糙度下的雪-金属粘附特性的研究。

**引言**
雪在表面上的粘附问题在许多领域都具有重要意义，例如航空（ICE Genesis；Work, 2018）、汽车、铁路以及架空电力传输和分配线路（CIGRE, 2010; CIGRE, 2015; Marcacci et al., 2019）等。K.L. Mittal和C.-H Choi编辑的最新专著（Mittal et al., 2020）对雪和冰的粘附问题进行了全面而详尽的总结，特别强调了量化其影响和缓解方法的措施。
在过去10到15年里，即使在以前不受严重降雪影响的地区（如海拔较低且靠近海洋的地区），也记录到了非常强烈的降雪事件。
与雪引起的结构结冰相关的主要问题之一是湿雪。湿雪的特点是雪花中含有液态水，这使得冰晶之间的毛细作用增强（在所关注的湿雪降水情况下，液水含量可超过重量的15%（USACE）），从而使雪花变得粘稠，容易附着在空气流动中的任何障碍物上。此外，湿雪的快速变质过程会导致晶粒之间的结合，从而提高雪的强度（Hobbs, 1974; Blackford, 2007; Brun, 1989）。这会在导线上形成厚厚的雪套，最终可能导致导线断裂甚至塔架倒塌。
雪的密度根据天气条件不同，介于250至350 kg/m3之间，形成的雪套重量可达每米导体或保护线的10至15公斤（Bonanno et al., 2024）。
像冰岛和日本这样的岛国长期以来一直面临湿雪造成的损害，相关观测研究也已经进行了多年（Matsumiya et al., 2023; Yamaguchi et al., 2024; Arakawa et al., 2025）。在意大利，湿雪是造成架空电力传输和分配基础设施最大破坏和中断的原因（ARERA, 2015; Faggian, 2022; Lightbox）。例如2015年2月，艾米利亚-罗马涅和伦巴第大区的大片地区遭遇了大雪，导致超过36万用户停电超过8小时；2017年1月，阿布鲁佐大区降雪严重，地面积雪厚度达3米，雪套重量达15公斤/米；最近在2021年1月，降雪对艾米利亚-罗马涅和托斯卡纳边境的高压基础设施造成了严重破坏。
由于湿雪期间频繁发生故障，输电系统运营商（TSO）、配电系统运营商（DSO）和监管机构鼓励科学界和架空导线制造商寻找缓解措施（ARERA, 2015）。在这方面，根据科学界提出的方法（CIGRE, 2010; CIGRE, 2015），RSE公司开始研发和测试抗冰涂层，这些涂层有望通过延缓雪沉积开始时间和/或促进早期脱落来减少雪套的形成（Balordi et al., 2019a; Balordi et al., 2020）。
在研究开发阶段，为了评估表面处理和涂层的性能，通常会测量静态/动态接触角（WCA）、接触角滞后（CAH）以及滚落角（室温和低温下），同时还会测量水滴固化时间和/或撞击水滴的行为（Guo et al., 2012; Eberle et al., 2014; Wang et al., 2013; Mishchenko et al., 2010; Yang et al., 2011; Wang et al., 2010; Kim et al., 2012; Alizadeh et al., 2012）。有一种有争议的观点认为超疏水性等同于抗冰和防雪性，因为表面的润湿性被认为与雪的粘附性有关（Jung et al., 2011; Kulinich et al., 2010）。
另一种补充方法是对表面凝结的冰进行剪切和/或拉伸机械粘附测试（Work, 2018; Susoff et al., 2013; Zou et al., 2011; CIGRE, 2010; CIGRE, 2015; Meuler et al., 2010; Yang et al., 2011; Jafari and Farzaneh, 2011）。显然，这些方法测得的冰粘附特性可以为开发阶段提供有用信息，但需要注意的是，在样本上形成的冰与实际组件上的雪沉积过程中的机制存在显著差异。虽然冰粘附值可以指示雪对表面的最大粘附限度，但这些值通常比典型的雪粘附值高出三个数量级。
在开发抗雪涂层时，识别和模拟雪套的生长机制及其脱落机制至关重要。尽管有多种模型能在不同程度上准确描述这些机制并具有良好的预测能力（Makkonen, 1989; Admirat, 2008; Poots et al., 1995; Fasani, 2024），但目前尚无可用的雪套脱落模型，尽管一些初步工作为此奠定了基础（Fortin and Perron, 2012; Fasani, 2024）。在使用脱落模型之前，了解雪的剪切和拉伸粘附值及其内聚强度是必要的前提条件。
因此，建立一种根据雪的特性及其所接触的不同表面/涂层来测量其粘附和内聚性能的程序是实现最终目标的第一步。尽管文献中报道了多种测量冰粘附的方法，也有一些旨在制定统一测量冰剪切和拉伸粘附程序的协作活动（Work, 2018; Susoff et al., 2013; Zou et al., 2011; CIGRE, 2010; CIGRE, 2015; Laroche et al., 2020; Ronnenberg et al., 2020），但我们尚未见到类似的雪样本制备和粘附测试标准。
据我们所知，关于湿雪粘附测试的开创性工作很少（Hefny et al., 2009; Heil et al., 2020）。尽管文献中提出的测量雪对表面粘附的方法在原理上与测量冰粘附的方法没有显著差异，但可重复的雪样本制备以及对脆弱雪样本施加力仍然具有挑战性。

**实验方法**
（i）我们使用了一种新型雪样本制造系统，能够生产出具有相同自然特性的树枝状湿雪样本，并保持规定的粒径范围；
（ii）使用液水含量（LWC）在2.5–41%范围内的自然和实验室环境下形成的雪进行测试；
（iii）通过测量铝合金表面的剪切和拉伸粘附力来评估雪-基底界面的粘附力，这些表面的粗糙度范围为Ra = 0.2–5 μm，这一范围对于功能化和抗冰/防雪涂层沉积前的基材准备非常重要；
（iv）据我们所知，这是首次在同一表面粗糙度范围内报道 così 宽范围的剪切和拉伸粘附数据的研究；
（v）此外，宏观粘附测试还结合了基于μCT的微观结构测量，这是一种先进的测量技术，可以表征雪的微观结构参数，评估样本制备的可重复性并帮助解释测得的雪-表面粘附现象；
（vi）实验结果还解释了湿雪在平坦表面上附着时产生的毛细力的主要机制，并提出了一个简单的分析模型。

**实验细节**
所有测试使用的雪要么是自然收集的（2021年11月3日、30日、2022年1月5日、2月7日、22日及5日），要么是由瑞士达沃斯WSL雪与雪崩研究所（SLF）的冷实验室使用SnowMaker设备制造的，该设备能够重现自然形成的树枝状雪晶（Schleef et al., 2014a）。造雪设备的集水盆水温被加热至25°C，而寒冷实验环境下的温度为-25°C。对这三种表面进行了剪切测试和剪切粘附力测试，分别使用了干燥状态（液态水含量LWC=0%）和湿润状态（LWC范围从2.5%到41%）的雪。图15a、图15b和图15c显示了雪样本密度与LWC的关系，分别标出了LWC组别、雪的类型以及每个样本的老化时间。正如预期的那样，随着LWC的增加，密度也随之增加。当然，数据的分散程度与雪的来源（人工雪或自然雪）以及老化时间有关，无论是低温（-20°C）还是高温环境下。

**结论**
在本研究中，首次量化了干燥雪和湿润雪在三种不同铝合金表面处理上的剪切和拉伸机械粘附力，这些表面的粗糙度范围为Ra=0.2–5 μm。主要结果总结如下：
• 在剪切粘附力测试中，随着表面粗糙度的增加，粘附力也随之增强；而随着LWC含量的增加，粘附力起初会增加，但随后会有轻微的下降趋势（这还取决于特定条件的影响）。

**作者贡献声明**
Damiano Fasani：负责撰写初稿、验证方法、研究设计、数据分析、概念构建。
Federico Cernuschi：负责撰写初稿、验证方法、监督研究、数据分析、概念构建。
Fabian Wolfsperger：负责审阅和编辑内容、资源管理、方法论研究。
Marcella Balordi：负责审阅和编辑内容、研究工作。
Luigi Pietro Maria Colombo：负责审阅和编辑内容、监督研究工作并提供资金支持。

本研究由意大利电力系统研究基金资助，属于2022–2024年三年研究计划（DM MITE编号337，2022年9月15日）的一部分，符合2018年4月16日的 decree 规定。

**未引用的参考文献**
CIGRE, 2021
Guerin等人，2016
Mittal和Choi，2020
Montgomery，2009
Poots和Skelton，1995
TERNA，无日期
UECE，无日期

**致谢**
作者感谢Francesco Pini博士在实验测试最后阶段所提供的支持。

**利益声明**
作者声明没有已知的财务利益冲突或个人关系可能影响本文所述的研究结果。