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我驚了！《Science》大飛機表面除冰技術，差的竟是一層高分子“保鮮膜”！

2019-05-23 13:58:18 作者：熱愛科學的來源：材料科學前沿分享至：

飛機除冰花費高么？航空公司：一見下雪我就想哭

每到寒冷的冬季，飛機延誤率常常大幅度升高，其中一個重要原因——機場的工作人員要給飛機噴灑防冰液，以除去覆蓋在飛機表面的積冰。然而，除冰劑的效果通常只能維持10-15 分鐘，即便噴涂防凍液，也只能維持30-40分鐘，在等待起飛的過程中可能需要反復除冰。遇到雪天，成本還會增加，平均一架飛機的清理成本超過萬元。根據分析機構的預測，到2020年，全球飛機除冰的市場規模可能達到13億美元。更可怕的是，據統計，每年我國因為不除冰或除冰不當而導致的航空不安全事件達40~50起，嚴重威脅乘客和機組人員的生命安全。當無聊的坐在飛機上等待除冰時，你是否想過，為什么去除飛機表面的冰是如此困難？我們又能否發明一種易除冰的材料，一勞永逸的解決這個問題？

現有的疏冰材料（icephobic materials）常基于聚二甲基硅氧烷（PDMS），這種柔韌的硅膠材料與冰有較低的黏附性，同時也有比較理想的潤滑性和較低的表面能，這些特性可以實現較低的單位冰黏附強度。然而，對于飛機，船體，風力發電機葉片等比較大的表面，表觀冰黏附強度仍然非常大，換言之，移除其表面的積冰仍需要很大的力。近日，密歇根大學安娜堡分校的Michael Thouless 教授和Anish Tuteja教授團隊另辟蹊徑，利用通用塑料/硅膠+塑化劑的組合制成低界面韌性的材料，在大面積積冰的表面實現了超低表觀冰黏附強度。只需極小的力，或僅憑自身重力就可以移除材料表面大面積的冰。相關文章“Low–interfacial toughness materials for effective large-scale deicing”已于近期發表在《Science》。

降低冰黏附性還是界面韌性？莫非搞錯了方向？

圖1.從硅膠和聚丙烯上剝離冰每個單位寬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）常常體現出較高的單位冰黏附強度（> 200 kPa），此前并不被看好有良好的除冰性能。如圖1中聚丙烯（polypropylene PP），隨著積冰長度的增加，推動積冰所需的力也快速增加，然而一旦冰的長度超過臨界值（Lc），推動單位寬度積冰所需的力卻不再變化，最終的界面韌度穩定在1.92 J/m2。在疏冰硅膠材料（Silicone B）中，即使有著更低的冰黏附強度（=30 kPa），隨著積冰長度增加，所需推動單位寬度的冰所需的力卻持續線性的增加。對于大尺寸的表面，其表面與冰的界面韌度可高于8.82 J/m2。主要原因是硅膠材料擁有較好的界面韌性，使積冰在表面小幅移動時需要克服更多阻礙，隨著材料表面的擴大最終積累形成牢固的冰-材料界面。因此，盡管冰黏附性在較小的表面更重要，但對于大尺寸的積冰，如大飛機的表面，降低冰-材料界面韌性才是設計易除冰表面的重點！

“塑料+增塑劑”，大面積除冰輕松搞定！

在塑料制品中加入塑化劑可以使材料變得更柔軟，我們身邊的塑料袋，保鮮膜都是這樣制成的。密歇根大學的科學家們敏銳的意識到，塑化劑的加入可以降低通用塑料的界面韌性，因此可能進一步降低推動表面積冰所需的力。如圖2，通過在PVC 中加入中鏈甘油三酯油（medium-chain triglyceride oil MCT），界面韌度可以進一步降至0.2 J/m2。這一趨勢也與材料厚度有關，因為更薄的表面可以更大限度的減少材料基體性能的影響。而在PDMS中加入硅油可形成低界面韌性的LIT PDMS，可以將硅膠材料的低冰黏附強度和低界面韌性結合起來，制成大面積易除冰的表面。

圖2.對界面韌性的調控

通過在鋁板上涂敷低界面韌性的LIT PDMS涂層，0.95 m×0.95 m×0.01 m的積冰可以僅憑自身重力從表面剝離，在這一尺度上，表觀冰黏附強度可低至0.09 kPa，遠低于常見疏冰材料（< 100 kPa）。

作者通過重新審視和研究冰在材料表面黏附的原因，調整了人們對于解決這一問題的思路。進而運用商品化的原材料，成功開發了大面積易除冰材料。這項技術的相關專利已經被授權給HygraTek LLC公司。或許在不久的將來，我們將不再需要在冬天頻繁清理汽車擋風玻璃上的積冰，或者可以省去在冬季航班起飛前等待除冰的過程了。

文章鏈接：

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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