Rivestimenti intelligenti a bassa tenacità interfacciale per on

Nature Communications volume 13, numero articolo: 5119 (2022) Citare questo articolo

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L’accumulo di ghiaccio causa problemi in industrie vitali e negli ultimi decenni è stato affrontato con sistemi di sghiacciamento passivi o attivi. Questo lavoro presenta un sistema di sghiacciamento intelligente e ibrido (passivo e attivo) attraverso la combinazione di un rivestimento a bassa tenacità interfacciale, riscaldatori di circuiti stampati e un sensore a microonde per il rilevamento del ghiaccio. Si è scoperto che la tenacità interfacciale del rivestimento con il ghiaccio dipende dalla temperatura e può essere modulata utilizzando i riscaldatori incorporati. Di conseguenza, lo sghiacciamento viene realizzato senza sciogliere l'interfaccia. La combinazione sinergica del rivestimento a bassa tenacità interfacciale e dei riscaldatori periodici si traduce in una maggiore densità di potenza di sbrinamento rispetto a un sistema di riscaldamento a copertura totale. Il sistema di sghiacciamento ibrido mostra anche durabilità nei confronti di ripetuti ghiacciamenti/sghiacciamenti, abrasione meccanica, esposizione esterna e contaminazione chimica. Un sensore risonatore planare a microonde senza contatto è inoltre progettato e implementato per rilevare con precisione la presenza o l'assenza di acqua o ghiaccio sulla superficie durante il funzionamento sotto il rivestimento, migliorando ulteriormente l'efficienza energetica del sistema. La scalabilità del rivestimento intelligente è dimostrata utilizzando interfacce ghiacciate di grandi dimensioni (fino a 1 m). Nel complesso, il sistema ibrido intelligente qui progettato offre un cambio di paradigma nello sghiacciamento che può liberare efficacemente una superficie dal ghiaccio senza la necessità di uno scioglimento dell’interfaccia energeticamente costoso.

L’accumulo indesiderato di ghiaccio è problematico in settori quali l’energia rinnovabile (turbine eoliche1,2, dighe idroelettriche3), l’aviazione4 e la trasmissione di energia5. Le strategie di mitigazione del ghiaccio possono essere suddivise in metodi attivi o passivi. Lo sghiacciamento attivo comporta un input di energia esterna utilizzata per rimuovere il ghiaccio, in genere attraverso metodi termici, chimici o meccanici. Al contrario, lo sghiacciamento passivo riduce il tasso di accumulo del ghiaccio, abbassa la forza di adesione tra il ghiaccio e la superficie, o entrambi. Nessuno dei due percorsi verso una superficie libera dai ghiacci è oggi considerato una panacea, poiché i metodi di sghiacciamento attivo utilizzano una notevole energia, ma i rivestimenti antighiaccio passivi non possono mantenere una superficie libera dai ghiacci per un tempo indefinito. Un sistema ibrido che combina sinergicamente le tecnologie di sghiacciamento passive e attive può essere una soluzione interessante al paradigma dell’accumulo di ghiaccio.

I dispositivi elettrici sono stati ampiamente utilizzati per lo sghiacciamento attivo su una varietà di superfici6,7,8 e utilizzano il riscaldamento joule per aumentare la temperatura del ghiaccio accumulato sopra 0 °C, facilitandone la rimozione attraverso un cambiamento di fase in acqua liquida9,10, 11,12. È necessaria una corretta conduttività termica/elettrica per massimizzare l'efficienza dello sghiacciamento riducendo al minimo il consumo energetico9,13,14. I riscaldatori a base di grafene6,15, il pompaggio di aria calda16, i riscaldatori a base di polimeri conduttivi17,18,19 e, più comunemente, i sistemi di riscaldamento metallici20,21,22,23 sono stati tutti utilizzati per fornire calore sufficiente per sciogliere il ghiaccio interfacciale. Ad esempio, Bustillos et al. ha fabbricato un riscaldatore in schiuma di grafene altamente termicamente/elettricamente conduttivo e flessibile che potrebbe aumentare la temperatura dell'interfaccia da -20 °C e iniziare a sciogliere una gocciolina congelata entro 33 secondi19. Rahimi et al. hanno utilizzato lo spray al plasma per depositare NiCrAlY su un composito di vetro/resina epossidica e hanno dimostrato che sia le morfologie fini che quelle ruvide potevano produrre calore sufficiente per scopi di sghiacciamento23. Un altro metodo di sghiacciamento attivo utilizzato dall'industria aeronautica prevede il flusso di aria calda del motore attraverso le ali dell'aereo. Pellissier et al. hanno caratterizzato tale pompaggio di aria calda per lo sghiacciamento e i risultati della simulazione mostrano che il processo di trasferimento del calore è estremamente complesso24. Tuttavia, tutte le precedenti tecniche di sghiacciamento attivo, sebbene efficaci, hanno richiesto che l'intera interfaccia fosse portata al di sopra di 0 °C e, di conseguenza, questi metodi consumano una notevole energia per sbrinare grandi superfici come le pale delle turbine eoliche, le ali degli aerei o le imbarcazioni. scafi.

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>