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”！
2019-05-23 13:58:18
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？
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？
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。
图2.对界面韧性的调控
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.marketsandmarkets.com/PressReleases/aircraft-de-icing.asphttp://www.cannews.com.cn/2019/0121/188419_2.shtml
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