除冰涂層材料

分析材料性能，需要比較相關參數。對于涂料來說，其衡量參數分別是：力F；脫粘附面積A；冰粘附強度τice（τice = F/A）。一般來說，疏冰性（icephobic）材料的τice小于100 kPa，而鋼鐵、鋁等結構材料τice大于1000 kPa，其表面粘附冰的能力很強。因此開發低界面韌性（low-interfacial toughness，LIT，即界面韌性Г < 1 J/m2）材料對于防止冰的吸附非常重要，希望這類涂料能夠在大表面積結構上有優越的除冰性能。

圖1.冰層粘附長度和斷裂方式的關系  

他們首先構建了一個簡單分析模型。在這個模型中，冰附著界面寬度不變，長度可變。他們發現：當界面長度小時，控制冰層分離的剪切強度（shear strength）與冰粘附強度τice相等，這種情況下，冰層受力后，整個界面同時發生斷裂并脫落；相反，當界面長度大時，控制冰層分離的是界面韌性Г，此時冰層受力后呈界面裂紋傳播式脫落（如圖1所示）。分析顯示：在兩種冰層脫落模式中切換的關鍵，是存在一個臨界粘附長度LC。他們推測，如果冰層粘附界面足夠長，去除冰層所必需的力（定義為“除冰力”）會逐漸達到一個極限值，界面使用未修飾的普通塑料材料如聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯就可以實現這一點。實驗也證實，界面單位寬度中除冰力是粘附長度的函數，當界面長度L值較小時，除冰力相對于L成正比例增長，但是當L大于臨界粘附長度LC時，除冰力不再增加，并達到一個極限值。而這個除冰力極限值，就可以用來確定界面韌性Г——這個低界面韌性材料的重要性質參數。

圖2.通過控制厚度和塑化程度來控制界面任性韌性

作者同時發現通過最小化涂層厚度t，可以減小界面韌性。為了驗證這一觀點，他們選擇聚氯乙烯材料進行試驗，證實其界面韌性Г值的確隨著材料厚度的減小而減小。為進一步減小Г值，他們測試了含有中鏈甘油三酯油（MCT）的塑化PVC材料，結果顯示界面韌性Г值隨著塑化程度增高而減小。通過優化PVC材料的厚度和塑化程度，他們得到Г值只有0.27 J/m2的低界面韌性PVC（LIT PVC）材料。他們用同樣的優化方式，得到了低界面韌性聚苯乙烯（LIT polystyrene）和低界面韌性PDMS（LIT PDMS）材料，Г值分別約為0.43 J/m2和0.12 J/m2。他們選取長度達1 m（超過LC）的LIT PVC和LIT PDMS，厚度1-2 μm，在-10 ℃下測試顯示，除冰力在L > LC后始終沒有變化。

圖3.LIT涂層的大范圍除冰試驗  

綜上所述在給定涂層厚度下存在著一個界面長度，超過這一長度時，LIT材料的除冰能力強于普通疏冰材料。該團隊模仿電纜結冰情況，就是用三根1.2 m長、一面結冰的鋁條從兩端彎曲，觀察多大弧度時冰層脫落。一根鋁條表面沒有任何涂層，一根鋁條事先表面涂覆傳統疏冰材料（硅樹脂B），第三根則涂覆LIT材料（硅樹脂B + 40 wt%硅油）。結果顯示第三根涂覆LIT材料的鋁條冰層輕易脫落，而前兩根即使彎曲弧度很大冰層也難有脫落（圖3A）。他們用約1 m × 1 m的鋁板分別不涂和涂布LIT PDMS材料，在-7 ℃放在戶外過夜結冰，冰層厚度達到1 cm，相對于沒有涂層的鋁板表面，冰層在LIT PDMS涂層上能夠完全依靠自身重力脫落。

原文鏈接：Low-interfacial toughness materials for effective large-scale deicing   Science, 2019, 364, 371-375, DOI: 10.1126/science.aav1266