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飞机飞行过程中,因穿过过冷云层区域会在飞行器表面出现积冰现象,给飞行器的安全性能带来巨大影响。目前通用的防/除冰手段多是多采用机械振动、气热/电热除冰,需要在飞机上额外加装防/除冰机械装置,增加了飞机重量,继而导致飞机设计复杂化及制造成本攀升,燃油效率大幅度降低,难以满足现代新型飞机的轻量化和高燃油经济性的要求。同时,飞机表层金属材料也会因为不断地处于冷热交替或机械振动的条件下,其热疲劳和机械疲劳性能易降低从而影响飞机的整体安全性和可靠性。本论文立足于材料表面功能改性技术,利用材料的本征属性设计构建出高效的防冰表面,并初步探索其在航空工业中应用的潜力。依据飞机飞行过程中结冰的条件,设计的防冰表面必须满足三点要求:（1）较高的斥水性能;（2）高效的结冰延迟性能;（3）较低的冰层附着力。因此,本课题基于航空用Ti6Al4V材料,构建出含有特殊微纳米复合结构的非润湿表面,继而产生特殊界面润湿状态,并分析表面液滴结冰的延迟性能、冰层附着性能以及低温条件下动态液滴的撞击接触行为,进一步从热力学和动力学角度分析特殊非润湿表面抑制液滴结冰形核、长大的作用机制及冰层附着力的降低机理。得出的主要创新性结论有:1)首先在Ti6Al4V基体材料表面通过喷砂处理得到微米级凹凸结构,然后分别采用阳极氧化、水热处理及酸/碱刻蚀技术构建出二级的纳米结构（分别为纳米管、纳米线、及纳米网）,经FAS-17氟化修饰处理后,获得超疏水表面。其中,二级纳米结构对超疏水性的产生具有重要的结构作用,引入纳米结构使超疏水表面捕获大量的空气,获得稳定的Cassie-Baxter润湿模型,在表观接触界面上,产生较小的固-液接触面积占表观接触面积的比值分数,导致较大的表观接触角。对比分析研究含有三种纳米结构的复合结构表面的超疏水性能,发现含有TiO2纳米线的复合结构超疏水表面,展示出较高的疏水特性,液滴滚动角仅有2°,而且能够迫使撞击液滴在较短的时间（12 ms）内反弹离开固体试样表面,显示出较为理想的疏水特性。2)提出利用超疏水表面动态撞击液滴的接触、反弹过程及接触时间,来进一步评价超疏水表面的斥水性能。通过研究Ti6Al4V表面润湿滞后性与动态撞击液滴的固-液接触时间之间的关系,确定撞击液滴的固-液接触时间（最短大约12 ms）或接触过程主要取决于试样表面的液滴动态接触角或接触角滞后,而不是静态表观接触角。此外,通过设计一定的宏观结构,改变撞击液滴的流体力学行为,使撞击液滴的收缩过程提前发生,缩短撞击液滴的固-液接触时间,甚至达到一个极限接触时间（“十”字形宏观结构的作用下）,即理论计算的铺展时间（5.45.5 ms）。3)基于已优化的微纳米复合结构（喷砂形成的微米级凹凸结构与水热处理生长的TiO2纳米线）超疏水表面（表观接触角达到了161°、接触角滞后低至2°,且动态撞击液滴（初始速度1 m/s）与试样表面的固-液接触时间仅12 ms）,分析讨论了其防冰性能,在-10°C条件下,液滴的结冰延迟时间达到了750 s,相比光滑基体,结冰延迟性能提高了数十倍,且结冰后的冰层附着力仅为80 KPa（国际上公认该值低于100 KPa即可认为是抗结冰表面）,相比光滑基体,降低了约十倍。对于低温条件下试样表面动态液滴的撞击过程,尽管随着温度的降低,动态撞击液滴的固-液接触时间有着一定程度的延长,但是仍远小于同温度条件下液滴结冰的延迟时间（相差23个数量级）,呈现出较高的动态液滴防附着结冰性能。4)分析了二级纳米结构在微米级凹凸结构疏水表面的Wenzel润湿模型到微纳米复合结构超疏水表面的Cassie-Baxter润湿模型转变机制中的结构效应及作用机理,发现纳米结构的间距小于临界距离d’（对于水而言d’=100 nm）,可形成一层空气层,结合微米级凹凸结构的辅助作用,即可完全托起试样表面液滴形成稳定的Cassie-Baxter润湿模型。此外,理论上分析了超疏水表面抑制液滴结冰形核与长大的作用原理,表明超疏水表面特殊的微纳米复合结构捕获了较多空气,导致固-液实际接触面积仅有0.025 mm2（仅为光滑基体材料的0.35%）,引起了较小的液滴形核率（在-25°C时,相比于未处理基体而言,降低了约19个数量级）,同时捕获的空气产生热绝缘作用,降低液滴中水分子向晶核-水界面处迁移的能力,最后导致微纳米复合结构表面具有较低的冰层生长速率。5)分别研究了微纳米复合结构超疏水防冰表面,在不同热场和风场条件下的除冰性能,探明超疏水表面的微纳米结构捕获的空气不利于热场除冰时的热量转换,导致不容易融化试样表面冰层,显示出较低的热场除冰性能,也说明电热或者气热除冰并不是最理想的选择作为超疏水防冰表面的辅助除冰手段。相反,微纳米复合结构超疏水表面显示出较低的冰层附着力,导致表面冰层极易被吹落,显示出较强的风场除冰能力,显著提高了超疏水防冰表面的实际应用能力。最后,经过苛刻的循环结冰/除冰测试后,试样表面展现出稳定的超疏水性能。