復(fù)合材料層合結(jié)構(gòu)在防覆冰/除冰系統(tǒng)中的應(yīng)用

陳炳彬 張 征 魯聰達 吳化平 柴國鐘

浙江工業(yè)大學(xué)機械工程學(xué)院，杭州，310014

0 引言

材料表面覆冰是一種常見的自然現(xiàn)象，但是室外建筑材料表面以及航空、通信、電力和運輸設(shè)備的表面覆冰現(xiàn)象卻給人們的生產(chǎn)、生活帶來諸多不便，進而造成巨大的經(jīng)濟損失，甚至威脅生命財產(chǎn)安全[1]。飛機在穿越云層或者遇到凍雨時，云層中的過冷水滴會浸潤飛機機體，當(dāng)環(huán)境溫度低于0 ℃時，這些水滴將在機體表面形成冰層。同時，云層中的小水滴不斷與冰層表面接觸，形成新的冰層，使得冰層的厚度不斷增大，導(dǎo)致飛機在飛行過程中所受阻力增大。隨著飛機整體質(zhì)量的增大，燃油的消耗也將隨之增加從而威脅到了飛機的安全飛行[2]。較為有效的傳統(tǒng)除冰方式是采用一種電熱型冰保護系統(tǒng)(ice protect system，IPS)來融化冰層，從而起到保護設(shè)備的作用[3]。同時，一些新型材料在IPS中的運用受到越來越多的關(guān)注，例如可變形的雙穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)材料[4]和仿生超疏水材料[5]。非對稱正交鋪設(shè)的雙穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)材料由平板高溫固化并自然冷卻至室溫后自然形成屈曲形態(tài)，而屈曲形態(tài)的形成是由于結(jié)構(gòu)內(nèi)部存在殘余熱應(yīng)力，因此，通過加熱的方式可以釋放殘余熱應(yīng)力[6-7]，驅(qū)動雙穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)變，從而形成一種新型電熱-機械耦合機制[8]。

超疏水材料在防覆冰領(lǐng)域也備受關(guān)注，特殊的浸潤特性使水滴在其表面的接觸角較大、不易黏附，且具有延長水滴結(jié)冰時間的特性[9]；同時，超疏水材料的表面能較低，可以減小冰層對界面的黏附力，使冰層更容易在受外力因素(如冰層自身的重力、風(fēng)力及機械振動力等)的影響下從材料表面脫落，因此，超疏水材料能夠在IPS中起到獨特的作用。

由于雙穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)和超疏水材料能夠在防覆冰和除冰領(lǐng)域中發(fā)揮作用，因此，本文將雙穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)與超疏水材料結(jié)合，以聚酰亞胺(polyimide，PI)電熱合金軟膜為熱源形成電熱-機械機制，設(shè)計出一種新型的防覆冰/除冰系統(tǒng)。對該系統(tǒng)的工程性能進行了測試，包括：強紫外線耐性、耐變形性、耐高低溫交變性及系統(tǒng)的防覆冰和除冰效果。

1 系統(tǒng)設(shè)計及性能測試

1.1 復(fù)合層合結(jié)構(gòu)設(shè)計

新型復(fù)合層合結(jié)構(gòu)如圖1所示，最上層為制備的銅基超疏水材料；中間層為非對稱正交鋪設(shè)的雙穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)；最下層為PI電熱合金軟膜，作為驅(qū)動雙穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)的熱源。其中：①系統(tǒng)表面的銅基超疏水材料是通過將銅箔貼附在雙穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)上，然后用K2S2O8溶液對銅箔進行化學(xué)腐蝕，最后用硬脂酸的乙醇溶液浸泡并烘干后得到的[10-11]；②PI電熱合金軟膜直接通過3M軟膠貼附在雙穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)的表面。

圖1 新型防覆冰/除冰系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)變示意圖Fig.1 The schematic diagram of the anti-icing/de-icing system and its steady-state transition

對所設(shè)計的復(fù)合材料層合結(jié)構(gòu)進行外加載荷分析[12-13]，得到如圖2所示的載荷-位移曲線，其中試件1為僅有雙穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)，試件4為完整系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，試件2缺少PI電熱合金軟膜，試件3缺少銅基超疏水材料。分析圖2可知：PI電熱合金軟膜對原雙穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)特性產(chǎn)生了較大的影響，使得系統(tǒng)結(jié)構(gòu)發(fā)生穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)變所需的臨界載荷增大了10.5%，最大位移減小了27.5%。然而，從曲線的趨勢和驅(qū)動試驗的結(jié)果來看，PI電熱合金軟膜并未對系統(tǒng)主體的雙穩(wěn)態(tài)特性產(chǎn)生破壞性的影響，圖2中4條曲線最后都有一個驟降的過程，這一過程即為結(jié)構(gòu)產(chǎn)生穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)變時的突變過程，進而產(chǎn)生機械振動。因此，系統(tǒng)仍選用PI電熱合金軟膜作為熱驅(qū)動的熱源。

圖2 不同復(fù)合材料層合結(jié)構(gòu)的載荷-位移曲線Fig.2 Load-displacement curves of different composite laminated structures

選用德國Dataphysics OCA35對系統(tǒng)表面不同區(qū)域的接觸角α進行測試，α的平均值αA達到155°。如圖3a所示，水滴在銅基超疏水材料表面不同位置靜止時均呈現(xiàn)規(guī)則的球形；試驗中用注射器將水持續(xù)推射到銅基超疏水材料的表面[14]，水柱在接觸材料表面后隨即發(fā)生“折射”現(xiàn)象，并且水柱“折射”后，材料表面沒有明顯的水滴殘留，如圖3b～圖3c所示；當(dāng)水滴近距離滴落到具有一定傾斜角(小于10°)的銅基超疏水材料表面時，水滴隨即從材料表面滾落，如圖3d～圖3f所示。上述結(jié)果均表明系統(tǒng)表面的銅基超疏水材料具有較好的超疏水特性。

(a) (b) (c)

(d) (e) (f)圖3 銅基超疏水材料表面超疏水特性測試Fig.3 The superhydrophobic characteristics tests of copper-based superhydrophobic material

1.2 防覆冰/除冰系統(tǒng)性能測試

由于自然環(huán)境復(fù)雜多變，防覆冰/除冰系統(tǒng)在使用過程中將面臨諸多問題，如：自身的使用壽命、強紫外線照射和高低溫交變等，而自然環(huán)境因素可能會破壞系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，尤其是使表面材料的超疏水特性降低甚至消失，從而影響系統(tǒng)整體的防覆冰和除冰效果。因此，試驗中設(shè)計了熱驅(qū)動測試、強紫外光照射和溫度調(diào)控三類性能測試來檢驗系統(tǒng)使用的穩(wěn)定性。

首先，對防覆冰/除冰系統(tǒng)供電，使系統(tǒng)結(jié)構(gòu)溫度升高，并在雙穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)發(fā)生穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)變后停止對系統(tǒng)供電，當(dāng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)自然冷卻后重復(fù)試驗步驟，重復(fù)若干次后測試系統(tǒng)表面的接觸角。試驗中選用了3個試樣作為研究對象，測試結(jié)果如圖4所示。從圖4中可以看出，在多次驅(qū)動結(jié)構(gòu)發(fā)生穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)變后，系統(tǒng)表面的接觸角有所減??；但是，3個試樣在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)發(fā)生300次穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)變后，表面的接觸角均在150°以上，即仍具有超疏水特性。這表明系統(tǒng)在多次重復(fù)使用后，對表面的超疏水特性影響較小，體現(xiàn)了超疏水材料的穩(wěn)定性。

圖4 熱驅(qū)動測試后系統(tǒng)表面接觸角變化Fig.4 Changes of surface contact angles of the system after thermal drive test

為檢驗系統(tǒng)在自然環(huán)境中使用時，結(jié)構(gòu)表面的超疏水特性是否會因紫外線照射而失效[15]，試驗過程中使用了波長為425 nm的LED紫外照射裝置(型號為UP3-314)對系統(tǒng)表面6個不同區(qū)域進行連續(xù)照射，照射時長為12 h。同時，對系統(tǒng)表面被測區(qū)域照射前后的接觸角進行測試，比較紫外光照射前后系統(tǒng)表面接觸角的變化情況。如圖5所示，結(jié)構(gòu)表面6個區(qū)域在被強紫外光照射后，接觸角的變化較小，這表明系統(tǒng)表面具有較好的紫外光耐受性。

圖5 紫外線照射后系統(tǒng)表面接觸角變化Fig.5 Changes of surface contact angles of system after ultraviolet rays-irradiation

使用高低溫濕熱試驗箱(型號為EW0470)對4個不同的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)進行高低溫交變試驗。試驗中將4個試樣分別放入試驗箱中，設(shè)置不同的溫度變化方式，并測試出4個不同的試樣在試驗前后接觸角值，結(jié)果如圖6所示。由圖6中試樣前后接觸角變化可知，環(huán)境溫度的變化對系統(tǒng)表面銅基超疏水材料的影響極小，4個試樣表面具有穩(wěn)定的超疏水特性。

圖6 溫度交變環(huán)境中系統(tǒng)表面接觸角變化Fig.6 Changes of surface contact angles in an alternating temperature environment

2 新型防覆冰/除冰系統(tǒng)測試

所設(shè)計的新型防覆冰/除冰系統(tǒng)是一種電熱-機械復(fù)合機制系統(tǒng)，具有主動防覆冰及快速除冰功能，且水滴極易在機械振動、風(fēng)力等因素的影響下，從具有超疏水特性的系統(tǒng)表面脫離。在一般情況下，系統(tǒng)可通過熱驅(qū)動法使系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的溫度保持在冰點以上，并有效解決水滴黏附問題，從而在源頭上預(yù)防覆冰的發(fā)生；而在極端天氣環(huán)境中，當(dāng)表面的覆冰現(xiàn)象不可避免時，可提高熱驅(qū)動的加熱功率，通過持續(xù)加熱產(chǎn)生的熱量和熱驅(qū)動雙穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)時產(chǎn)生的機械振動起到快速除冰和預(yù)防二次覆冰的效果。

2.1延遲結(jié)冰(原位結(jié)冰)

在0 ℃以下的環(huán)境中，通過觀察水滴在不同材料表面結(jié)冰的情況，可以判斷出哪種材料表面具有延長水滴結(jié)冰時間的功能[16]。

0 s 400 s 800 s 1 200s 1 600s 1 920 s 1 996 s(a)銅基超疏水材料

試驗中，選擇銅基超疏水材料、紫銅箔和雙穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)(碳纖維材料)作為研究試樣，將三種試樣放入低溫箱中，設(shè)置溫度為-10 ℃，然后將三滴0.02 mL的去離子水分別轉(zhuǎn)移到材料表面，并用電子顯微鏡記錄下不同時間水滴在三種試樣表面的結(jié)冰情況，試驗結(jié)果如圖7所示。從圖7所示的水滴結(jié)冰情況可以看出，水滴在銅基超疏水材料表面的結(jié)冰時間最長，達到1 996 s，為其余兩種材料的3倍和5倍。這表明所制備的銅基超疏水材料在延長表面水滴結(jié)冰時間方面有較好的效果，從而為熱驅(qū)動法在防覆冰或除冰過程中的使用爭取更多的時間。

0 s 200 s 300 s 400 s 602 s(b)紫銅箔

0 s 200 s 300 s 437 s(c)雙穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖7 原位水滴在不同材料表面結(jié)冰時間對比Fig.7 Comparisons of freezing time of in-situ water droplets on different materials surface

2.2 系統(tǒng)的防覆冰和除冰試驗

為研究系統(tǒng)防覆冰和除冰的過程，試驗設(shè)計了在低溫環(huán)境下通過電熱驅(qū)動雙穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)進行主動防覆冰和除冰的測試試驗(圖8、圖9)，具體步驟如下。

(1)在低溫箱中搭建試驗平臺，如圖8所示，同時將低溫箱內(nèi)的溫度設(shè)置為-10℃。

圖8 防覆冰/除冰測試平臺Fig.8 De-icing/Anti-icing test platform

(2)在防覆冰測試中，持續(xù)向系統(tǒng)表面噴淋去離子水并在1 min后停止噴水，同時用電子顯微鏡記錄下不同時間內(nèi)材料表面的水滴黏附情況。隨后，對系統(tǒng)通電，通過PI電熱合金軟膜產(chǎn)生的電熱驅(qū)動雙穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)發(fā)生穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)變，產(chǎn)生機械振動。

(3)在除冰測試中，當(dāng)噴淋在系統(tǒng)表面的水滴結(jié)成冰后開始對系統(tǒng)供電，加熱驅(qū)動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)變，進而產(chǎn)生機械振動。

如圖9a所示，在持續(xù)噴淋一段時間的水后，黏附在系統(tǒng)表面水滴在系統(tǒng)表面呈現(xiàn)規(guī)則的球狀，但是水滴之間存有很大的間隙，并且水滴極易受外界因素影響而在超疏水表面發(fā)生滾動，因此在電熱驅(qū)動雙穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)后，產(chǎn)生的機械振動將系統(tǒng)表面的水滴彈開或者使其滾動。如圖9c所示，當(dāng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)發(fā)生穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)變后，系統(tǒng)表面已無明顯水滴殘留，從而在源頭預(yù)防了系統(tǒng)表面覆冰的現(xiàn)象，起到主動預(yù)防結(jié)冰的作用。

(a) (b)

(c)圖9 系統(tǒng)防覆冰和除冰試驗Fig.9 Anti-icing and de-icing tests of system

由于所制備的銅基超疏水材料具有延遲水滴結(jié)冰的作用，因此在-10 ℃的環(huán)境中1 h后，如圖9b所示，系統(tǒng)表面仍有未完全結(jié)冰的水滴存在。當(dāng)系統(tǒng)表面大部分的水滴完全結(jié)冰后開始對系統(tǒng)供電，利用電熱驅(qū)動雙穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)，同時系統(tǒng)表面的冰開始迅速融化成水滴。由于系統(tǒng)結(jié)構(gòu)發(fā)生穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)變的過程中產(chǎn)生了機械振動，由冰融化的水滴被完全清除，從而實現(xiàn)了除冰的作用；同時，由于除冰過程結(jié)束后系統(tǒng)表面無明顯的水滴殘留，因此即使在-10 ℃的環(huán)境下，系統(tǒng)的表面也不易出現(xiàn)二次覆冰的現(xiàn)象。

因此，所設(shè)計的基于雙穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)和銅基超疏水材料的新型防覆冰/除冰系統(tǒng)可應(yīng)用的領(lǐng)域包括暴露在極端環(huán)境下的結(jié)構(gòu)構(gòu)件、結(jié)構(gòu)表面材料(如風(fēng)力發(fā)電機[17-18])和航天航空領(lǐng)域(如可變形機翼[19])等。

2.3 系統(tǒng)中各層復(fù)合材料對系統(tǒng)功能的影響分析

基于復(fù)合材料層合結(jié)構(gòu)的新型防覆冰/除冰系統(tǒng)主要利用了三種材料的不同特性：①銅基超疏水材料的超疏水特性、延長水滴結(jié)冰時間和減小界面上冰層黏附力的特性；②雙穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)在局部受熱時會產(chǎn)生變形，且穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)變過程中將產(chǎn)生機械振動；③PI電熱合金軟膜為柔性材料，與雙穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)結(jié)合后可與雙穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)的形變同步；同時，通電后產(chǎn)生的電熱可驅(qū)動雙穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)，使其產(chǎn)生穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)變。

當(dāng)移除銅基超疏水材料后，如圖10a所示，水滴將黏附在雙穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)表面，且與表面的接觸面積較大，同時水滴會迅速在材料表面結(jié)成冰，并隨著表面水滴量的增加而逐漸形成冰層，直至覆蓋整個材料表面，如圖10b所示，因此在相同時間內(nèi)，由于雙穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)表面對水滴黏附力較大，無超疏水表面的覆冰量將增大，如圖10c所示。

(a) (b) (c)圖10 移除銅基超疏水材料后系統(tǒng)表面防覆冰/除冰效果Fig.10 Anti-icing/De-icing results after removing the copper-superhydrophobic materials

因此，無論在防覆冰過程中還是在除冰過程中，當(dāng)停止對系統(tǒng)供電后，材料表面的水滴完全脫除時，極易形成覆冰現(xiàn)象。但是在-10 ℃的環(huán)境中，當(dāng)系統(tǒng)不能夠為雙穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)提供機械振動力時，雖然水滴仍在材料表面呈現(xiàn)穩(wěn)定的球形且極易發(fā)生滾動，但在無明顯外力的情況下，水滴還是會結(jié)成冰，如圖11所示。在無外界干擾的條件下，水滴在-10 ℃的環(huán)境中又逐漸開始結(jié)冰。

圖11 無機械振動時系統(tǒng)表面防覆冰/除冰效果Fig.11 Anti-icing/De-icing results of system surface without mechanical vibration

綜上所述，所設(shè)計的新型防覆冰/除冰系統(tǒng)在同時結(jié)合銅基超疏水材料和非對稱正交鋪設(shè)雙穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)材料的特性時，才能使系統(tǒng)具有良好的主動防覆冰和高效除冰功能。

3 結(jié)論

利用PI電熱合金軟膜電熱驅(qū)動基于雙穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)的復(fù)合材料，并在其表面增加超疏水材料層，設(shè)計了一種新型的防覆冰/除冰系統(tǒng)。表面的超疏水材料具有較好的疏水特性、強紫外線耐性、耐高低溫交變性和延長水滴結(jié)冰時間特性等；同時，系統(tǒng)具有較好的主動防覆冰、快速除冰及預(yù)防二次覆冰的功能，為多功能的復(fù)合材料在防覆冰和除冰領(lǐng)域的應(yīng)用提供了重要的參考價值。