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我惊了!《Science》大飞机表面除冰技术,差的竟是一层高分子“保鲜膜”!
2019-05-14 14:30:38 作者:热爱科学的 来源:材料科学前沿

飞机除冰花费高么?航空公司:一见下雪我就想哭

 

每到寒冷的冬季,飞机延误率常常大幅度升高,其中一个重要原因——机场的工作人员要给飞机喷洒防冰液,以除去覆盖在飞机表面的积冰。然而,除冰剂的效果通常只能维持10-15分钟,即便喷涂防冻液,也只能维持30-40分钟,在等待起飞的过程中可能需要反复除冰。遇到雪天,成本还会增加,平均一架飞机的清理成本超过万元。根据分析机构的预测,到2020年,全球飞机除冰的市场规模可能达到13亿美元。更可怕的是,据统计,每年我国因为不除冰或除冰不当而导致的航空不安全事件达40~50起,严重威胁乘客和机组人员的生命安全。当无聊的坐在飞机上等待除冰时,你是否想过,为什么去除飞机表面的冰是如此困难?我们又能否发明一种易除冰的材料,一劳永逸的解决这个问题?

 

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现有的疏冰材料(icephobic materials)常基于聚二甲基硅氧烷(PDMS),这种柔韧的硅胶材料与冰有较低的黏附性,同时也有比较理想的润滑性和较低的表面能,这些特性可以实现较低的单位冰黏附强度。然而,对于飞机,船体,风力发电机叶片等比较大的表面,表观冰黏附强度仍然非常大,换言之,移除其表面的积冰仍需要很大的力。近日,密歇根大学安娜堡分校的Michael Thouless 教授和Anish Tuteja教授团队另辟蹊径,利用通用塑料/硅胶+塑化剂的组合制成低界面韧性的材料,在大面积积冰的表面实现了超低表观冰黏附强度。只需极小的力,或仅凭自身重力就可以移除材料表面大面积的冰。相关文章“Low–interfacial toughness materials for effective large-scale deicing”已于近期发表在《Science》。


降低冰黏附性还是界面韧性?莫非搞错了方向?

 

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图1.从硅胶和聚丙烯上剥离冰每个单位宽度所需的力

 

通用塑料材料如聚氯乙烯(PVC),聚酰胺(PA),聚丙烯(PP)和聚四氟乙烯(PTFE)常常体现出较高的单位冰黏附强度(> 200 kPa),此前并不被看好有良好的除冰性能。如图1中聚丙烯(polypropylene PP),随着积冰长度的增加,推动积冰所需的力也快速增加,然而一旦冰的长度超过临界值(Lc),推动单位宽度积冰所需的力却不再变化,最终的界面韧度稳定在1.92 J/m2。在疏冰硅胶材料(Silicone B)中,即使有着更低的冰黏附强度(=30 kPa),随着积冰长度增加,所需推动单位宽度的冰所需的力却持续线性的增加。对于大尺寸的表面,其表面与冰的界面韧度可高于8.82 J/m2。主要原因是硅胶材料拥有较好的界面韧性,使积冰在表面小幅移动时需要克服更多阻碍,随着材料表面的扩大最终积累形成牢固的冰-材料界面。因此,尽管冰黏附性在较小的表面更重要,但对于大尺寸的积冰,如大飞机的表面,降低冰-材料界面韧性才是设计易除冰表面的重点!


“塑料+增塑剂”,大面积除冰轻松搞定!


在塑料制品中加入塑化剂可以使材料变得更柔软,我们身边的塑料袋,保鲜膜都是这样制成的。密歇根大学的科学家们敏锐的意识到,塑化剂的加入可以降低通用塑料的界面韧性,因此可能进一步降低推动表面积冰所需的力。如图2,通过在PVC 中加入中链甘油三酯油(medium-chain triglyceride oil MCT),界面韧度可以进一步降至0.2 J/m2。这一趋势也与材料厚度有关,因为更薄的表面可以更大限度的减少材料基体性能的影响。而在PDMS中加入硅油可形成低界面韧性的LIT PDMS,可以将硅胶材料的低冰黏附强度和低界面韧性结合起来,制成大面积易除冰的表面。

 

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图2.对界面韧性的调控

 

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通过在铝板上涂敷低界面韧性的LIT PDMS涂层,0.95 m×0.95 m×0.01 m的积冰可以仅凭自身重力从表面剥离,在这一尺度上,表观冰黏附强度可低至0.09 kPa,远低于常见疏冰材料(< 100 kPa)。


作者通过重新审视和研究冰在材料表面黏附的原因,调整了人们对于解决这一问题的思路。进而运用商品化的原材料,成功开发了大面积易除冰材料。这项技术的相关专利已经被授权给HygraTek LLC公司。或许在不久的将来,我们将不再需要在冬天频繁清理汽车挡风玻璃上的积冰,或者可以省去在冬季航班起飞前等待除冰的过程了。


文章链接:

https://science.sciencemag.org/content/364/6438/371.full

 

背景信息

http://news.163.com/13/1222/04/9GM0LC3O00014AED.htmlhttps://www.marketsand

markets.com/PressReleases/aircraft-de-icing.asphttp://www.cannews.com.cn/2019/01

21/188419_2.shtml

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