Интеллектуальные покрытия с низкой межфазной вязкостью для

Nature Communications, том 13, номер статьи: 5119 (2022) Цитировать эту статью

4891 Доступов

13 цитат

163 Альтметрика

Подробности о метриках

Авторская поправка к этой статье опубликована 2 марта 2023 г.

Эта статья обновлена

Нарастание льда вызывает проблемы в жизненно важных отраслях промышленности, и в последние десятилетия его решали с помощью пассивных или активных противообледенительных систем. В этой работе представлена интеллектуальная гибридная (пассивная и активная) система противообледенения, сочетающая покрытие с низкой межфазной прочностью, нагреватели печатной платы и микроволновый датчик обнаружения льда. Установлено, что межфазная вязкость покрытия со льдом зависит от температуры и может регулироваться с помощью встроенных нагревателей. Соответственно, размораживание осуществляется без плавления интерфейса. Синергическое сочетание покрытия с низкой межфазной вязкостью и периодических нагревателей приводит к большей удельной мощности противообледенительной обработки, чем система нагревателей с полным покрытием. Гибридная противообледенительная система также демонстрирует стойкость к многократному обледенению/размораживанию, механическому истиранию, воздействию внешних факторов и химическому загрязнению. Бесконтактный планарный микроволновый резонаторный датчик дополнительно разработан и реализован для точного обнаружения присутствия или отсутствия воды или льда на поверхности во время работы под покрытием, что еще больше повышает энергоэффективность системы. Масштабируемость умного покрытия демонстрируется с помощью больших (до 1 м) замороженных интерфейсов. В целом, интеллектуальная гибридная система, разработанная здесь, предлагает смену парадигмы борьбы с обледенением, которая может эффективно очистить поверхность ото льда без необходимости энергетически дорогостоящего плавления поверхности раздела.

Нежелательное накопление льда является проблемой в таких отраслях, как возобновляемые источники энергии (ветряные турбины1,2, плотины гидроэлектростанций3), авиация4 и передача электроэнергии5. Стратегии смягчения последствий обледенения можно разделить на активные и пассивные методы. Активное противообледенение предполагает использование внешней энергии для удаления льда, обычно с помощью термических, химических или механических методов. Напротив, пассивное противообледенение либо снижает скорость нарастания льда, либо снижает прочность сцепления между льдом и поверхностью, либо и то, и другое. Ни один из путей к освобождению поверхности ото льда сегодня не рассматривается как панацея, поскольку активные методы борьбы с обледенением используют значительную энергию, а пассивные противообледенительные покрытия не могут сохранять поверхность свободной ото льда на неопределенный срок. Гибридная система, синергетически сочетающая пассивные и активные технологии противообледенения, может стать привлекательным решением проблемы обледенения.

Электрические устройства широко используются для активного противообледенения различных поверхностей6,7,8 и используют джоулево нагревание для повышения температуры наросшего льда выше 0 °C, облегчая его удаление посредством фазового перехода в жидкую воду9,10, 11,12. Правильная тепловая/электрическая проводимость необходима для максимизации эффективности противообледенения при минимизации потребления энергии9,13,14. Нагреватели на основе графена6,15, нагнетание горячего воздуха16, нагреватели на основе проводящих полимеров17,18,19 и, чаще всего, металлические системы нагрева20,21,22,23 — все они использовались для обеспечения достаточного тепла для растапливания межфазного льда. Например, Бустиллос и др. изготовили гибкий нагреватель из вспененного графена с высокой тепло/электропроводностью, который мог поднять температуру интерфейса с -20 °C и начать плавить замороженную каплю за 33 секунды19. Рахими и др. использовали плазменное напыление для нанесения NiCrAlY на стекло/эпоксидный композит и показали, что как мелкие, так и шероховатые морфологии могут производить достаточно тепла для целей борьбы с обледенением23. Другой активный метод борьбы с обледенением, используемый в авиационной промышленности, заключается в пропускании горячего отбираемого из двигателя воздуха через крылья самолета. Пеллиссье и др. охарактеризовали такую накачку горячего воздуха для борьбы с обледенением, и результаты их моделирования показывают, что процесс теплопередачи очень сложен24. Однако все предыдущие методы активного удаления льда, хотя и были эффективными, требовали, чтобы весь интерфейс был поднят выше 0 °C, и, соответственно, эти методы потребляют значительную энергию для удаления льда с больших поверхностей, таких как лопасти ветряных турбин, крылья самолетов или лодки. корпуса.

cm) iced interfaces45,46. LIT materials minimize the strain energy necessary to propagate an interfacial crack between the ice and surface, enabling size-independent de-icing, i.e. requiring a constant applied force for ice removal irrespective of the size of the iced interface. To-date, various LIT materials have been reported, including polymers such as polypropylene, PTFE, and ultra-high molecular polyethylene (UHMW-PE)46, as well as aluminum-based quasicrystalline coatings45. Zeng et al. introduced a LIT coating comprised of porous PDMS that exhibited lower interfacial toughness and hydrophobicity with increasing porosity47. Dhyani et al. fabricated transparent LIT PDMS and polyvinylchloride (PVC) coatings for photovoltaic applications, simultaneously demonstrating both a low interfacial toughness and ice adhesion strength48. Yu et al. fabricated robust LIT coatings based on PTFE particle assemblies, where the interfacial toughness was maintained after repeated icing and de-icing cycles49. And yet, to-date LIT materials have only been used as passive de-icing coatings./p> 4. Source data are provided as a Source Data file67./p> Lc) was measured while the heater locally raised the interfacial temperature from −20 °C to −5 °C (Fig. 5a). The critical detachment force for this first set was 131 ± 21 N, corresponding to an interfacial toughness with ice of Γ = 1.5 ± 0.4 J/m2. Additional icing/de-icing cycles were then conducted using 150 mm lengths of ice, followed by a repeat of the initial characterization. After these 43 icing/de-icing cycles, the average de-icing force was statistically equivalent (p-value: 0.22) to its initial value. The surface roughness was also unaffected (Fig. S4), indicating that the process of icing and de-icing did not damage the surface./p> Lc). Lc is the critical length of ice. De-icing force per width (Fice) values before and after the icing/de-icing cycles are statistically equivalent (p-value: 0.22). b The de-icing force or interfacial toughness (Γ) required to remove various lengths of ice after mechanical abrasion, chemical contamination, and outdoor exposure for 3 weeks. Minimum and maximum values are shown as the lowest and highest whiskers, respectively. The box presents the first quartile, mean, and the third quartile, from lower to higher amounts. c De-icing force for the multi-heater hybrid de-icing system, up to a length of 920 mm. The inset shows the accreted and de-iced surfaces. d Movie stills depicting the interfacial crack propagation and adhesive fracture underneath ice with a length of 500 mm and a width of 2 cm. All tests in a–d were conducted with 2.54 cm wide heaters locally raising the temperature from −20 °C to −5 °C. Errorbars denote 1 SD and here N ≥ 5. Source data are provided as a Source Data file67./p> 0.22), demonstrating the environmental durability of the hybrid de-icing system. Only the harsh abrasion increased the de-icing force statistically significantly (p-value: 0.002; Fig. 5b). This was due to the increase in roughness of the LIT material, from Sq = 1.55 µm to 3.39 µm, and this was statistically significant (Fig. S4). As interfacial toughness represents a strain energy per unit surface area, the commiserate increase in toughness with roughness was expected. Note, though, that the increase in interfacial toughness observed while using the heaters to modulate the local interfacial temperature of the abraded UHMW-PE (3.4 ± 0.9 J/m2) was still substantially less than that of the unabraded UHMW-PE film without heaters (6.1 ± 1.2 J/m2, see Fig. 3c). Accordingly, the hybrid de-icing system can compensate for any mechanical damage by using the heaters to achieve the required toughness value for a given set of environmental conditions./p> 0.05), the datapoint was included in the toughness regime, and the Fice value of the next shortest length of ice was considered. This procedure was repeated until the Fice value from the longest piece of ice in the strength-controlled regime was statistically different (p-value < 0.05) from the Fice value of the shortest length of ice in the toughness-controlled regime. The adhesion strength was then determined from the slope of best linear fit in the strength regime. The interfacial toughness was calculated using \({\Gamma={F}_{c}}^{2}/(E{H}_{{{{{{\rm{ice}}}}}}})\)46. Lc was then determined by the intersection of these two lines. Note that, for some experiments the measurement of Fice for longer lengths of ice served as a substitute for directly measuring Γ, and for such cases we assume Fice = Fc./p>