スマートな低界面靭性コーティング

Jun 26, 2023

Nature Communications volume 13、記事番号: 5119 (2022) この記事を引用

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着氷は重要な産業に問題を引き起こすため、過去数十年にわたってパッシブまたはアクティブな除氷システムによって対処されてきました。この研究では、低界面靭性コーティング、プリント基板ヒーター、および氷検出マイクロ波センサーの組み合わせによる、スマートなハイブリッド (パッシブおよびアクティブ) 除氷システムを紹介します。コーティングの氷との界面靱性は温度に依存することが判明しており、埋め込まれたヒーターを使用して調整できる。したがって、界面を溶融させることなく除氷が実現される。低界面靱性コーティングと周期的ヒーターの相乗効果により、全面ヒーターシステムよりも高い除氷電力密度が得られます。ハイブリッド除氷システムは、繰り返しの着氷/除氷、機械的磨耗、屋外暴露、化学汚染に対する耐久性も示しています。さらに、非接触平面マイクロ波共振器センサーが、コーティングの下で動作しながら表面の水や氷の有無を正確に検出するように設計および実装されており、システムのエネルギー効率がさらに向上します。スマートコーティングの拡張性は、大きな (最大 1 m) 氷のインターフェイスを使用して実証されます。全体として、ここで設計されたスマートハイブリッドシステムは、エネルギー的に高価な界面溶解を必要とせずに、効率的に表面を氷のない状態にすることができる、除氷のパラダイムシフトを提供します。

望ましくない氷の蓄積は、再生可能エネルギー (風力タービン 1、2、水力発電ダム 3)、航空 4、送電 5 などの業界で問題になっています。氷の緩和戦略は、アクティブな方法とパッシブな方法に分けることができます。アクティブな除氷には、通常、熱的、化学的、または機械的な方法を通じて、氷を除去するために使用される外部エネルギーの入力が含まれます。対照的に、受動的除氷は、氷の付着速度を低下させるか、氷と表面の間の接着強度を低下させるか、あるいはその両方を行います。能動的な除氷方法はかなりのエネルギーを使用しますが、受動的な除氷コーティングでは表面を永久に氷のない状態に保つことはできないため、今日では氷のない表面に向かうどちらのルートも万能薬とは見なされません。パッシブ除氷技術とアクティブ除氷技術を相乗的に組み合わせたハイブリッドシステムは、着氷パラダイムに対する魅力的な解決策となる可能性があります。

電気装置は、さまざまな表面の能動的除氷に広く使用されており6、7、8、ジュール加熱を利用して付着した氷の温度を0℃以上に上昇させ、液体の水への相変化による氷の除去を促進します9、10。 11、12。エネルギー消費を最小限に抑えながら除氷効率を最大化するには、適切な熱/電気伝導率が必要です9、13、14。グラフェンベースのヒーター6、15、熱風ポンピング16、導電性ポリマーベースのヒーター17、18、19、そして最も一般的には金属加熱システム20、21、22、23はすべて、界面の氷を溶かすのに十分な熱を提供するために使用されてきました。たとえば、Bustillos et al. は、界面温度を -20 °C から上昇させ、33 秒以内に凍結した液滴を溶かし始めることができる、熱/電気伝導性が高く、柔軟なグラフェン発泡ヒーターを製造しました。ラヒミら。は、プラズマスプレーを使用して NiCrAlY をガラス/エポキシ複合材料上に堆積させ、微細な形態と粗い形態の両方が除氷の目的に十分な熱を生成できることを示しました 23。航空業界で使用されているもう 1 つの積極的な除氷方法には、航空機の翼を通してエンジンからの熱いブリード空気を流すことが含まれます。ペリシエら。除氷のためのこのような熱風ポンピングの特徴付けが行われ、そのシミュレーション結果は、熱伝達プロセスが非常に複雑であることを示しています24。しかし、これまでの能動的な除氷技術はどれも効果的ではありますが、界面全体を 0 °C 以上に上げる必要があり、したがって、これらの方法は風力タービンのブレード、航空機の翼、ボートなどの広い表面を除氷するためにかなりのエネルギーを消費します。船体。

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>

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