除冰涂層材料

分析材料性能，需要比較相關(guān)參數(shù)。對(duì)于涂料來(lái)說(shuō)，其衡量參數(shù)分別是：力F；脫粘附面積A；冰粘附強(qiáng)度τice（τice = F/A）。一般來(lái)說(shuō)，疏冰性（icephobic）材料的τice小于100 kPa，而鋼鐵、鋁等結(jié)構(gòu)材料τice大于1000 kPa，其表面粘附冰的能力很強(qiáng)。因此開(kāi)發(fā)低界面韌性（low-interfacial toughness，LIT，即界面韌性Г < 1 J/m2）材料對(duì)于防止冰的吸附非常重要，希望這類涂料能夠在大表面積結(jié)構(gòu)上有優(yōu)越的除冰性能。

圖1.冰層粘附長(zhǎng)度和斷裂方式的關(guān)系  

他們首先構(gòu)建了一個(gè)簡(jiǎn)單分析模型。在這個(gè)模型中，冰附著界面寬度不變，長(zhǎng)度可變。他們發(fā)現(xiàn)：當(dāng)界面長(zhǎng)度小時(shí)，控制冰層分離的剪切強(qiáng)度（shear strength）與冰粘附強(qiáng)度τice相等，這種情況下，冰層受力后，整個(gè)界面同時(shí)發(fā)生斷裂并脫落；相反，當(dāng)界面長(zhǎng)度大時(shí)，控制冰層分離的是界面韌性Г，此時(shí)冰層受力后呈界面裂紋傳播式脫落（如圖1所示）。分析顯示：在兩種冰層脫落模式中切換的關(guān)鍵，是存在一個(gè)臨界粘附長(zhǎng)度LC。他們推測(cè)，如果冰層粘附界面足夠長(zhǎng)，去除冰層所必需的力（定義為“除冰力”）會(huì)逐漸達(dá)到一個(gè)極限值，界面使用未修飾的普通塑料材料如聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯就可以實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)。實(shí)驗(yàn)也證實(shí)，界面單位寬度中除冰力是粘附長(zhǎng)度的函數(shù)，當(dāng)界面長(zhǎng)度L值較小時(shí)，除冰力相對(duì)于L成正比例增長(zhǎng)，但是當(dāng)L大于臨界粘附長(zhǎng)度LC時(shí)，除冰力不再增加，并達(dá)到一個(gè)極限值。而這個(gè)除冰力極限值，就可以用來(lái)確定界面韌性Г——這個(gè)低界面韌性材料的重要性質(zhì)參數(shù)。

圖2.通過(guò)控制厚度和塑化程度來(lái)控制界面任性韌性

作者同時(shí)發(fā)現(xiàn)通過(guò)最小化涂層厚度t，可以減小界面韌性。為了驗(yàn)證這一觀點(diǎn)，他們選擇聚氯乙烯材料進(jìn)行試驗(yàn)，證實(shí)其界面韌性Г值的確隨著材料厚度的減小而減小。為進(jìn)一步減小Г值，他們測(cè)試了含有中鏈甘油三酯油（MCT）的塑化PVC材料，結(jié)果顯示界面韌性Г值隨著塑化程度增高而減小。通過(guò)優(yōu)化PVC材料的厚度和塑化程度，他們得到Г值只有0.27 J/m2的低界面韌性PVC（LIT PVC）材料。他們用同樣的優(yōu)化方式，得到了低界面韌性聚苯乙烯（LIT polystyrene）和低界面韌性PDMS（LIT PDMS）材料，Г值分別約為0.43 J/m2和0.12 J/m2。他們選取長(zhǎng)度達(dá)1 m（超過(guò)LC）的LIT PVC和LIT PDMS，厚度1-2 μm，在-10 ℃下測(cè)試顯示，除冰力在L > LC后始終沒(méi)有變化。

圖3.LIT涂層的大范圍除冰試驗(yàn)  

綜上所述在給定涂層厚度下存在著一個(gè)界面長(zhǎng)度，超過(guò)這一長(zhǎng)度時(shí)，LIT材料的除冰能力強(qiáng)于普通疏冰材料。該團(tuán)隊(duì)模仿電纜結(jié)冰情況，就是用三根1.2 m長(zhǎng)、一面結(jié)冰的鋁條從兩端彎曲，觀察多大弧度時(shí)冰層脫落。一根鋁條表面沒(méi)有任何涂層，一根鋁條事先表面涂覆傳統(tǒng)疏冰材料（硅樹(shù)脂B），第三根則涂覆LIT材料（硅樹(shù)脂B + 40 wt%硅油）。結(jié)果顯示第三根涂覆LIT材料的鋁條冰層輕易脫落，而前兩根即使彎曲弧度很大冰層也難有脫落（圖3A）。他們用約1 m × 1 m的鋁板分別不涂和涂布LIT PDMS材料，在-7 ℃放在戶外過(guò)夜結(jié)冰，冰層厚度達(dá)到1 cm，相對(duì)于沒(méi)有涂層的鋁板表面，冰層在LIT PDMS涂層上能夠完全依靠自身重力脫落。

原文鏈接：Low-interfacial toughness materials for effective large-scale deicing   Science, 2019, 364, 371-375, DOI: 10.1126/science.aav1266

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