位于极地深部冰层中的冰心记录着大量远古气候环境信息,具有重要的研究价值,因此近年来世界各国相继开展深冰心钻探工程。使用铠装电缆式电动机械钻具在钻进一定深度时,会遇到熔点低温度高的暖冰层,该冰层冰的脆性小粘度大。钻进过程中冰屑易聚集成团并粘附于钻头及切削具表面,同时回转切削产生的热量易使冰屑融化,融化后的水易再次冻结到钻具表面,造成卡钻等事故的发生。基于上述问题,有必要对冰层钻具表面防覆冰技术进行研究,降低冰在其表面的粘结强度,提高钻进效率,防止卡钻事故的发生,保证暖冰层钻进安全。疏水防冰涂层为固体材料表面防覆冰的常用策略之一。疏水涂层不仅能够延迟、降低甚至完全阻止冰霜在固体表面的堆积,更重要的是其可以大幅降低冰在钻具表面的粘附冻结力,使得钻具表面粘附的冰易在外力的作用下脱落,有效避免了卡钻等事故的发生。因此将疏水涂层应用到钻具表面,使其具有防覆冰的性能,将大幅改善暖冰层钻进效率。本文首先对疏水涂层防冰机理进行分析,通过固体材料表面的浸润性研究发现疏水涂层的防冰机理在于其可以大幅降低冰与表面间的接触面积,进而降低了冰在其表面的粘附冻结力。通过分析冰与固体材料表面间粘结强度的影响因素,发现含有有机氟和有机硅的疏水涂层材料有利于实现防覆冰性能。因此本文选择了四种含氟基和硅基的商用疏水涂料,其主要成分分别为:聚三氟乙烯硅和氟碳树脂混合物、改性聚四氟乙烯、硅基乳液和丙烯酸/全氟乙烯共聚物,经实验测试其水接触角分别为107°、101°、114°和95°。然后自主设计了一套用于分别测试冰在平面和曲面试样表面粘附冻结力的实验系统,在低温集装箱内进行-30℃~-10℃的实验测试,所测力的方向分别为法向和剪切方向。实验结果表明,四种疏水涂层均可有效降低冰在其表面的粘附冻结力,且温度越低降低效果越明显。其中丙烯酸/全氟乙烯共聚物涂层的效果最佳,在-30℃的条件下,相较于无涂层不锈钢试样,平面试样法向和剪切方向上的粘附冻结力分别降低了87.08%和97.19%,曲面试样法向和剪切方向上的粘附冻结力分别降低了98.06%和96.15%。涂层的耐久性是决定其能否广泛应用于极地冰钻钻具的重要性能,本文最后对上述四种涂层的耐久性能进行了测试及分析。耐久性主要分为两个方面:涂层表面耐摩擦寿命测试以及结冰除冰使用寿命测试。在耐摩擦寿命测试中,四种疏水涂层随着摩擦次数的增加逐渐丧失其疏水性能,其中丙烯酸/全氟乙烯共聚物涂层经过140次的磨损后水接触角低于90°。在使用寿命测试中,四种疏水表面随着结冰除冰循环次数的增加而逐渐被破坏,逐渐丧失其防覆冰性能,其中丙烯酸/全氟乙烯共聚物涂层经过11次的循环结冰除冰过程后,其表面剪切方向上的冰粘附冻结力接近普通无涂层表面。综上所述丙烯酸/全氟乙烯共聚物涂层拥有优秀的防覆冰性能和较好的耐久性能,加之其施工简单维护方便等特点,能够应用到极地冰层钻具表面使其具备防覆冰性能。