스마트한 저계면 인성 코팅
Jun 26, 2023Nature Communications 13권, 기사 번호: 5119(2022) 이 기사 인용
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얼음 부착은 중요한 산업에서 문제를 일으키며 지난 수십 년 동안 수동 또는 능동 제빙 시스템을 통해 해결되었습니다. 이 연구는 낮은 계면 인성 코팅, 인쇄 회로 기판 히터 및 얼음 감지 마이크로파 센서의 조합을 통해 스마트 하이브리드(수동 및 능동) 제빙 시스템을 제시합니다. 얼음과 코팅의 계면 인성은 온도에 따라 달라지며 내장된 히터를 사용하여 조절할 수 있습니다. 이에 따라 계면이 녹지 않고 제빙이 구현된다. 낮은 계면 인성 코팅과 주기적 히터의 시너지 조합으로 전체 적용 히터 시스템보다 제빙 전력 밀도가 더 높아집니다. 하이브리드 제빙 시스템은 반복적인 결빙/제빙, 기계적 마모, 실외 노출 및 화학적 오염에도 내구성을 나타냅니다. 비접촉 평면 마이크로파 공진기 센서는 코팅 아래에서 작동하는 동안 표면의 물이나 얼음의 유무를 정밀하게 감지하도록 추가로 설계 및 구현되어 시스템의 에너지 효율성을 더욱 향상시킵니다. 스마트 코팅의 확장성은 대형(최대 1m) 아이스 인터페이스를 사용하여 입증됩니다. 전반적으로, 여기에 설계된 스마트 하이브리드 시스템은 에너지 비용이 많이 드는 인터페이스 용해 없이도 표면에 얼음이 없도록 효율적으로 만들 수 있는 제빙 분야의 패러다임 전환을 제공합니다.
원치 않는 얼음 축적은 재생 에너지(풍력 터빈1,2, 수력 발전 댐3), 항공4, 송전5 등의 산업에서 문제가 됩니다. 얼음 완화 전략은 능동적인 방법과 수동적인 방법으로 나눌 수 있습니다. 능동적 제빙에는 일반적으로 열적, 화학적 또는 기계적 방법을 통해 얼음을 제거하는 데 사용되는 외부 에너지 입력이 포함됩니다. 대조적으로, 수동 제빙은 얼음의 부착 속도를 감소시키거나, 얼음과 표면 사이의 접착력을 낮추거나, 또는 두 가지 모두를 저하시킵니다. 능동 제빙 방법은 상당한 에너지를 사용하지만 수동 제빙 코팅은 표면에 얼음이 없는 상태를 무한정 유지할 수 없기 때문에 오늘날 얼음 없는 표면을 향한 두 가지 방법 모두 만병통치약으로 간주되지 않습니다. 수동 및 능동 제빙 기술을 시너지 효과적으로 결합한 하이브리드 시스템은 착빙 패러다임에 대한 매력적인 솔루션이 될 수 있습니다.
전기 장치는 다양한 표면에서 활성 제빙을 위해 널리 사용되어 왔으며6,7,8 주울 가열을 활용하여 부착된 얼음의 온도를 0°C 이상으로 높여 액체 물로의 상 변화를 통해 제거를 촉진합니다9,10, 11,12. 에너지 소비를 최소화하면서 제빙 효율을 극대화하려면 적절한 열/전기 전도성이 필요합니다9,13,14. 그래핀 기반 히터6,15, 열기 펌핑16, 전도성 폴리머 기반 히터17,18,19, 그리고 가장 일반적으로 금속 가열 시스템20,21,22,23은 모두 계면 얼음을 녹일 만큼 충분한 열을 제공하는 데 사용되었습니다. 예를 들어, Bustilos et al. 인터페이스 온도를 -20°C에서 올리고 33초 이내에 얼어붙은 물방울을 녹이기 시작할 수 있는 열/전기 전도성이 높고 유연한 그래핀 폼 히터를 제작했습니다. Rahimiet al. 유리/에폭시 복합재에 NiCrAlY를 증착하기 위해 플라즈마 스프레이를 사용했으며 미세한 형태와 거친 형태 모두 제빙 목적에 충분한 열을 생성할 수 있음을 보여주었습니다. 항공 산업에서 사용하는 또 다른 능동 제빙 방법은 항공기 날개를 통해 뜨거운 블리드 엔진 공기를 흐르는 것입니다. Pellissieret al. 제빙을 위한 뜨거운 공기 펌핑을 특성화했으며 시뮬레이션 결과는 열 전달 과정이 매우 복잡하다는 것을 보여줍니다. 그러나 이전의 모든 능동 제빙 기술은 효과적이기는 하지만 전체 인터페이스를 0°C 이상으로 올려야 하므로 이러한 방법은 풍력 터빈 블레이드, 항공기 날개 또는 보트와 같은 넓은 표면을 제빙하는 데 상당한 에너지를 소비합니다. 선체.
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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