主被動耦合防/除冰技術及能耗控制研究進展

沈一洲, 賀俊健, 吳炳泉, 王喆

(南京航空航天大學材料科學與技術學院, 南京 211106)

結冰是一種常見的自然現象,也是飛機飛行過程中需要面對的重大難題之一。飛機在穿越過冷云層時(0～-50 ℃),由于云層中含有的過冷液滴會迅速在飛機表面凍結成冰,使得飛行安全受到了嚴重威脅。例如,飛機機翼結冰會使飛機的氣動外形受到嚴重破壞,降低飛機升阻比(研究表明:機翼前緣積聚2 mm厚冰層,即可降低25%的升力)[1-3],同時也提高了飛機的操控難度。諸如此類的飛機表面結冰現象會嚴重影響飛機的飛行安全,因此對飛機表面采取合適的防/除冰措施就尤為重要。

目前,飛機防/除冰系統主要分為主動防/除冰系統和被動防/除冰系統。其中主動防/除冰技術主要包括熱力除冰技術、機械除冰技術以及液體防冰技術等[4]。而被動防/除冰技術則是在材料表面改性的基礎上發展起來的,主要包括超疏水涂層和低界面韌性涂層等。在除冰過程中,主動除冰技術無論是“以熱融冰”還是“以力碎冰”,雖然工作可靠且效率較高,但其過程中都需要消耗大量的能量;而被動除冰系統能有效解決能耗問題,但也存在著效率低以及研究不完備等問題。兩類技術各有優勢和不足,尤其是能耗高、效率低、無法完全除冰以及污染環境等問題亟待解決,不能滿足飛機除冰低能、高效的目標,因此新型的防/除冰技術仍是當前研究的重點[5-6]。

主動除冰耦合被動除冰技術是一種綜合不同技術特點的研究方向,依靠被動除冰技術的能耗優勢,結合主動除冰技術提高除冰效率,可以依靠極低的能量消耗實現高效快速除冰,目前超疏水表面耦合熱力除冰的研究表明其有效降低冰黏附強度、延遲結冰時間,并且大比例降低使用能耗。雖然其他技術耦合應用研究相對較少,但由于其各自的除冰優勢,例如,壓電除冰相對較小的能耗、低界面韌性涂層更適用于大面積結構等,都表明耦合應用具有重要的研究意義。

1 主動防/除冰技術

1.1 主動防/除冰機理

主動除冰技術主要通過熱傳導和力傳導的方式使冰層融化或破裂。熱力除冰包括氣熱除冰、電熱除冰等,其熱量一是來自發動機壓氣機、燃燒加熱器或者廢氣產生的熱空氣,二是來自電熱元件轉化的電能,如圖1(a)所示;機械除冰包括壓電除冰、電脈沖除冰等,依靠冰層黏附剪切強度遠小于黏附拉伸強度的特點,通過電脈沖線圈或壓電片等元件產生機械振動實現冰層脫落,如圖1(b)所示。

熱力除冰過程中的熱量傳遞到結冰部位后冰層開始融化,表面和冰層之間的黏附力受到破壞,冰層便可在氣流作用下脫離表面而被除去。圖2展示了電熱除冰過程中的物理現象[7],對于其除冰機理,Stallabrass[8]首次建立了一維電熱除冰模型;Chao[9]和Leffel[10]繼續發展了二維電熱除冰模型,其模型實例如圖3(a)所示[11];Yaslik等[12]采用假定相態法,首次對三維電熱除冰模型進行了簡單計算;常士楠等[13]建立了電熱除冰系統二維矩形微元段的物理簡化模型,利用塊修正技術對迭代計算進行了改進;雷桂林等[14]則建立了三維電加熱除冰模型,如圖3(b)所示,采用數值計算的方法研究表明,積冰密度的降低會加快積冰的融化過程。

圖1 主動防/除冰技術示意圖Fig.1 Active anti/de-icing technology diagram

圖2 電熱除冰涉及的物理現象[7]Fig.2 Physical phenomena involved in electrothermal de-icing[7]

電脈沖除冰是基于渦流原理,如圖4(a)所示,當線圈內部有電流I1通過時,導體板材內部會在磁場的作用下感應出渦流I2,而渦流產生的磁場H2與線圈的磁場H1方向相反,導致金屬板上產生幅值高、時間極短的一個機械力,通過如圖4(b)所示的結構,最終實現電脈沖除冰[15];壓電除冰則是基于逆壓電效應,由于壓電元件變形而產生電荷極化的現象稱為壓電效應,而逆壓電效應則是由于電場作用而產生機械變形的現象,利用逆壓電過程中的機械力促使結構產生振動,表面附著的冰層就可以在表面剪應力和沖擊力的作用下被除去。

壓電除冰根據工作頻段的不同又分為兩種,在低頻段和高頻段分別利用壓電共振和超聲縱波剪應力使冰層脫離表面。Ramanathan等[16]首次利用壓電元件驅動結構在高頻段工作產生水平剪切波,并且研究了其波形與剪切應力的關系;Kandagal等[17]首次使用壓電元件激勵懸臂平板結構產生低階共振進行除冰;譚海輝等[18]依靠如圖5(a)所示的模型,研究了超聲水平剪切波與Lamb波的傳播特性,探究了相關超聲振動除冰機理,建立了如圖5(b)所示的壓電換能器的安裝結構,并得到了不同安裝間距下其最佳除冰效率。

圖3 電熱除冰模型Fig.3 Electrothermal de-icing model

圖4 電脈沖除冰原理與結構示意圖[15]Fig.4 Electric pulse de-icing principle and structure diagram[15]

圖5 壓電除冰模型[18]Fig.5 Piezoelectric de-icing model[18]

1.2 主動防/除冰研究現狀

電熱除冰是一種比較成熟的主動除冰技術,具有能源清潔、可靠性高、效率高和易于控制等優勢。如圖6所示[19-20],傳統電熱除冰采用的電熱元件是金屬電阻絲,但存在發熱不均勻和熱能利用率較低等問題,新型石墨烯導熱系數高達5 300 W/(m·K),具有良好的導熱和導電性能[21],有效改善了原有問題。美國萊斯大學首次宣稱將石墨烯應用到電熱涂層的制備中,通過槳葉表面測試,其融冰效果明顯[22];Tian等[23]應用石墨烯作為加熱元件,對比其與傳統電阻絲的溫升速率,如圖7所示,表明石墨烯可以作為電熱除冰領域的一種理想加熱膜材料。近年來,研究者也不斷優化石墨烯電熱元件的制備方法,Huang等[24]采用電化學剝離法制備了導電性能優異的薄膜材料;Li等[25]通過化學氣相沉積法制備得到的涂層可以有效延遲結冰時間。

圖6 電阻元件和石墨烯電熱防/除冰系統[19-20]Fig.6 Resistance element and graphene electrothermal anti-icing/de-icing system[19-20]

壓電除冰近年來的研究主要集中在對壓電元件的尺寸、數目以及排列方式等因素的探究。Budinger等[26]先通過模擬仿真設計壓電片位于翼形部件的位置,如圖8所示,確定壓電片陣列的合適位置和尺寸,以及壓電片的合適激活策略,以激發結構的諧振頻率和相應的振動模態,并在結冰風洞中驗證了除冰性能。此外,Shi等[27]將壓電片置換為MFC即宏觀纖維復合材料,實現高效、低功率、輕重量的飛行除冰;Bai等[28]以平面鋁板為對象,通過有限元分析,探究了壓電片的厚度與長度對于激振模態的影響,得到壓電片長度約為70 mm時振動強度最高,而隨著壓電片厚度的增加,振動強度不斷減弱;Miao等[29]和包明鑫[30]分別基于平面鋁板和復合材料板,通過仿真與實驗的方法,對于壓電元件的數目、間距、排布布局等對于除冰效果進行了優化研究。

主動除冰技術作為主流的除冰技術,其除冰機理已經得到較為完善的研究。熱力除冰系統是目前應用最為廣泛的除冰方式,其中氣熱除冰維護簡單、工作可靠,但由于極高的能耗,不適用于飛機低能耗的發展方向;而電熱除冰又分為連續型和周期型,周期型除冰允許表面發生結冰至一定程度后開始加熱,除冰結束后會停止加熱,即結冰-除冰-結冰的周期性過程,其能耗相較于連續加熱的除冰方式有所降低,但容易出現融化后的冰水回流并重新進行結冰,不但影響除冰效率,還會威脅飛行安全。機械除冰利用冰層粘附拉伸強度遠大于粘附剪切強度的特點,通過壓電片或者脈沖線圈產生振動除冰,雖然有效避免了電熱除冰存在的融冰回流問題,能耗相較電熱除冰有了一定的降低,但其元件仍然會產生不小的能耗。因此,尋找一種不產生能源消耗的除冰技術的相關研究引起了研究者的持續關注。

圖7 不同加熱元件表面溫度隨時間的變化[23]Fig.7 Variation of surface temperature of different heating elements with time[23]

圖8 壓電片位于翼形部件模擬圖[26]Fig.8 The simulation diagram of the piezoelectric sheet located in the wing-shaped part[26]

2 被動防/除冰技術

2.1 被動防/除冰機理

根據經典潤濕理論,固體表面的潤濕狀態可以分為4種,如圖9所示。Young[31]在對潤濕現象的研究過程中,提出了Young’s方程,即

γsg=γsl+γlgcosθ

(1)

式(1)中:γsg、γsl、γlg分別為固-氣、固-液、液-氣間的界面張力;θ為接觸角。

Wenzel等[32]將粗糙度引入方程,建立了完全潤濕狀態的Wenzel方程,即

cosθ*=rcosθ

(2)

式(2)中:θ*為表觀接觸角;r為粗糙度因子;θ為本征接觸角。

不同表面,粗糙程度不同,其疏水性和親水性也會隨著r的變化而變化。

Cassie等[33]在Wenzel方程基礎上進一步提出固-液界面和氣-液界面同時存在,Cassie-Baxter方程可以表示為

cosθ*=f1cosθ1+f2cosθ2

(3)

式(3)中:f1、f2分別為固-液、氣-液界面表觀接觸面積的比例分數;θ1、θ2為復合接觸界面本征接觸角。

疏水表面的微觀結構能有效阻止液滴浸潤,f1越小,其表觀接觸角越大,表面疏水特性越好。

如圖10所示,自然界中有很多疏水表面,科學家通過對荷葉自清潔現象的研究,發現水滴在荷葉表面上會飛快滑落,這是由于其表面特殊的微納結構和低表面能的蠟狀物質[34],水滴落在荷葉表面并不會浸潤,而是會形成水珠在表面自由滾動并帶走灰塵。近年來,研究人員們應用仿生學原理,在飛機蒙皮表面制備了具有微納結構的超疏水表面,針對超疏水表面開展了大量的防/除冰技術的研究。

圖9 固體表面潤濕狀態Fig.9 Wetting state of solid surface

圖10 荷葉的超疏水原理Fig.10 Superhydrophobic principle of lotus leaf

超疏水表面具有較大的接觸角和較小的滾動角(通常接觸角>150°,滾動角<10°),如圖11所示,水滴極易流走,液滴撞擊表面時由于其疏水特性,可以減少水滴的聚集從而實現防冰。Mishchenko等[35]在親水、疏水、超疏水三種表面分別進行了液滴撞擊實驗,根據在一系列溫度條件下的實驗結果,在-25 ℃以上時,液滴遇到超疏水表面不會發生結冰,而是在凍結前發生回縮;Zheng等[36]制備了丙酮化碳納米管薄膜,控制溫度在-8 ℃以下,在該超疏水表面進行液滴撞擊實驗,液滴并未發生結冰,超疏水表面有效抑制了結冰現象的發生。而超疏水表面在除冰過程中的作用主要體現在能有效降低冰黏附力和延遲結冰時間。Ling等[37]將其降低冰黏附力的原因歸結為表面產生的微裂紋和減少了表面與冰層之間的接觸面積;Alizadeh等[38]通過實驗將液滴分別撞擊親水、疏水、超疏水表面,觀察其結冰過程,并且利用紅外熱像儀和高速相機進行記錄,結果表明在超疏水表面上液滴凍結延遲了70～80 s。

然而,即使是具有極強疏水特性的表面,應對大面積積冰時,其除冰效果也較差,這是由于隨著冰層面積的增加,除冰所需要的外力通常也是相應增加的,這就意味著超疏水表面不再適用于大面積積冰條件。Golovin等[39]對于大面積除冰時降低除冰外力的決定性因素,首次提出低固-冰界面斷裂韌性的影響,指出了冰層面積達到一定尺寸后,除冰外力的大小將與面積無關,并且利用通用塑料、硅膠+塑化劑制備了低界面韌性材料。低界面韌性涂層可以誘導材料表面形成固-冰界面微裂紋,使其界面斷裂韌性降低,而在很低的除冰外力作用下微裂紋片可以迅速擴展,使表面與冰之間的黏附力降低,對于幾平方厘米,甚至更大面積的結構表面進行除冰時,只需要極小的外力就可以除去表面所結的冰。

2.2 被動防/除冰研究現狀

被動除冰技術主要是利用表面或者涂層進行除冰,性能評價過程主要是針對冰黏附強度、結冰時間以及除冰所需外力大小等因素,近年來,許多研究者也針對被動除冰表面的性能改良進行了大量研究。Zhu等[40]通過兩步噴涂法制備得到了微納分級結構的透明超疏水涂層,實驗表明其有效延長了液滴結冰時間;潘瑞等[41]通過超快激光復合化學氧化,得到了一種三級微納超疏水表面結構,經過實驗測試,其冰黏附強度僅為6 kPa,使異質形核的時間延遲到52 min 39 s,表現出良好的結冰延遲效。

一直以來,超疏水表面的性能都受到其耐磨性的限制。于是,Zhang等[42]采用SiO2復合PDMS的方法,并設計了不同尺度的SiO2進行試驗,制備得到了一種彈性硅膠表面;Wu等[43]在此基礎上又引入有機硅環氧樹脂,制得的超疏水涂層在低溫測試環境下,冰黏附強度為 64.7 kPa,經紫外光輻射以及水滴冷凝測試后,冰黏附強度僅提高10%;微砂沖擊試驗后,冰黏附強度仍然低于100 kPa,如圖12所示,表現出良好的耐磨性能;Qing等[44]考慮到多孔鐵良好的力學特性,利用其復合氟化SiO2與氟化環氧樹脂,制備出了一種新型超疏水涂層,經測試其耐沖擊與耐磨損的性能均表現良好;肖振[45]通過兩步底面復合法制備了具有一定機械耐磨性的FEVE/PU(氟碳樹脂/聚氨酯)超疏水表面,分別測試其在手磨和磨耗儀后的冰黏附強度,實驗結果顯示出優良的耐磨損性能;自修復改良方面,Qin等[46]在海藻酸鈉基氣凝膠中加入十八胺與納米銀,制備得到了一種超疏水表面,通過加熱等手段就能有效恢復其被破壞的超疏水性和力學特性;王建[47]通過分別將蠟燭灰“半嵌入”到自修復基底上和將納米SiO2顆粒沉積到自修復基底表層,制備出了高效的光熱除冰自修復超疏水涂層和防腐蝕涂層。

但上述超疏水表面的研究均是立足于小面積積冰條件,因此面向大面積積冰條件下的防/除冰涂層具有重要意義。Zhu 等[40]針對聚丙烯和硅樹脂聚合物涂層,研究了各自表面的除冰外力和表觀剪切強度隨結冰尺寸的變化,如圖13所示[39],硅樹脂聚合物涂層具有較高的固-冰界面斷裂韌性(Γ>8.82 J/m2),冰剪切黏附強度等于該曲線的斜率(約30 kPa)。然而,聚丙烯涂層表面的固-冰界面斷裂韌性比較低(1.92 J/m2),冰剪切黏附強度高達320 kPa,除冰外力隨著結冰面積的增加而急劇增加,當達到一定尺寸后出現轉折點,不再受到結冰面積的限制;Dhyani等[48]在研究過程中,為正確處理低界面韌性和低黏附強度兩種特性的關系,制備出了一種在低表面附著力和低界面韌性二者之間實現平衡的涂層,這種表面對冰的分離力要求極低,經過整個冬季的實際測試,涂層電池板的平均冰雪覆蓋率約為28%,初步驗證了該涂層良好的除冰效果。

被動除冰涂層有效避免了主動除冰技術面對的能源消耗問題,有著廣闊的應用前景,但仍存在一些需要解決的問題。超疏水表面目前只可以在一定程度上延遲結冰,暫時無法徹底阻止結冰;并且隨著使用次數的增加以及時間的累積,表面的疏水性能和延遲結冰性能均會出現一定程度的衰減[49];同時超疏水表面的微納分級結構會在環境的磨損沖擊和凍融循環等的影響下受到破壞;而紫外線等物理化學作用也會使引入的低表面能物質發生改性[50]。而低界面韌性涂層研究還不完備,對于冰層臨界尺寸的材料控制因素、固-冰界面微裂紋的誘發機理和固-冰界面斷裂韌性的控制機理等還需進一步研究[34];同時,其在除冰效率上也存在不足,表面殘冰不能被及時除去。因此,在研究被動除冰機理的基礎上,利用其能耗優勢的同時結合主動除冰技術的優勢,來提高除冰效率的可行性引起了廣泛關注。

L、W、h分別為冰塊的長、寬、高;Γ為界面韌性;為界面剪切強度;τice為冰坡的表觀剪切強度圖13 除冰外力和表觀剪切強度隨結冰長度的變化[39]Fig.13 The relationship between the external force of de-icing and the apparent shear modulus as a function of icing length[39]

3 主被動耦合防/除冰技術

3.1 主被動防/除冰耦合特性

目前,兩類防/除冰技術都不是完美的,主動除冰技術較成熟且效率高,但能耗高,而被動除冰涂層具有一定的防冰效果和良好的除冰性能,但也具有無法避免的局限性。隨著航空工業的發展,對于飛機表面除冰提出了更低能、更高效、更大面積等需求,因此,近年來許多研究者從主動除冰與被動除冰結合出發,耦合多種防/除冰方法,充分利用各類技術的優勢,不斷優化材料、結構和方法,使耦合除冰效果得到了不斷提升。

電熱除冰系統的主要問題在于能耗過高,并且往往會存在融冰回流再次結冰的問題,而超疏水表面恰恰能夠彌補其不足,由于接觸角大和滾動角小的特性,超疏水表面顯示出強的疏水特性,液滴可以在結冰前脫離表面,同時,超疏水表面的應用還可以顯著降低除冰能耗,因此,超疏水表面耦合電熱除冰的相關研究近年來得到了大量關注,如圖14所示的耦合模型不斷涌現[51]。Zhao等[52]以玻璃纖維增強聚合物為基底,組合多壁碳納米管和超疏水涂層,制備了可以取代傳統電阻絲的新型電熱涂層,冰滴脫離基板實驗表明,該耦合涂層大大降低了冰黏附強度,防覆冰能耗減少高達58%,是一種高效、低能耗、易制備的防冰涂層;Wang等[53]則通過表面蝕刻柱狀結構制備出了綜合超疏水特性和導電特性的復合膜,通過非接觸式紅外測溫技術分析了液滴的凍結相變過程,并結合冰成核速率和宏觀生長速度,該復合膜能有效延遲結冰的同時通電也可以很好地除去表面冰層。

圖14 超疏水表面耦合電熱除冰結構示意圖[51]Fig.14 Schematic diagram of superhydrophobic surface coupled electrothermal de-icing structure[51]

3.2 主被動耦合除冰技術研究現狀

目前關于主被動耦合除冰技術的研究主要集中在超疏水表面與電熱除冰技術的耦合,主要原因在于兩種技術的研究相較完善,同時都具有良好的除冰性能,兩者的耦合作用可以在顯著降低能耗的同時實現高效除冰。彭蘭清等[54]基于石墨烯復合加熱膜,結合了超疏水表面和電熱除冰兩種方法,建立了如圖15所示的耦合元件,對耦合元件進行了冷環境除冰實驗,驗證了耦合除冰可行性的同時,得到了其表面溫升情況的兩大影響因素:熱流密度和環境溫度;彭慧璇等[55]復合甲基丙烯酸硬脂酸酯、疏水SiO2以及炭黑,得到了一種電熱超疏水涂層,接觸角可達156°,實驗結果表明,該涂層可以實現結冰時間由120 s延長至620 s,而通入低電壓60 s表面溫度可升至94.2 ℃,僅需180 s就可以實現融冰,有效改善了防/除冰效果。

圖15 超疏水表面耦合電熱除冰實驗元件[54]Fig.15 Superhydrophobic surface coupled electrothermal de-icing experimental element[54]

關于主被動防/除冰技術的耦合,目前對于其他除冰技術的研究相對較少。Wei等[56]將低頻振動除冰應用到超疏水電熱除冰方案中研究其增益效果,根據實驗顯示,該復合除冰系統啟動后,30 s內即實現了冰層的全部脫落,如圖16所示,Wei等[56]建立了連接層受力斷裂的除冰模型,驗證了低頻振動是通過對連接層施加持續的機械剪切作用破壞冰層粘附,這也為多種防/除冰技術的復合提供了新的研究方向。壓電除冰相較電熱除冰而言,能夠避免融冰回流再結冰的問題且能耗較低,而低界面韌性涂層相較超疏水表面而言,能更加有效應用于大面積結構的除冰,因此低界面韌性涂層耦合壓電除冰有望實現大面積更加高效、快速、低能的除冰效果。

圖16 低頻振動的引入對除冰效果的影響[56]Fig.16 The influence of low frequency vibration on de-icing effect[56]

4 防/除冰能耗控制研究現狀

隨著航空工業發展,面對飛機高效、低能除冰的發展方向,研究者們在能耗控制方面進行了大量的研究,不斷尋求降低能耗的技術改良方法。主動除冰系統中,無論是通過傳導熱還是傳導力進行除冰,都需要大量能源的消耗,這嚴重限制了其發展。作為應用最廣泛的熱力除冰,其每平方米的結冰表面就需要高達10 kW的功耗[57]。

除冰技術不斷推陳出新,熱力除冰技術從氣熱除冰發展到電熱除冰,從連續型加熱發展到周期型加熱,機械除冰也不斷推出壓電除冰、電脈沖除冰、電斥除冰等多種技術,并且通過改良優化技術降低能耗。Liu等[7]通過調整加熱片位置、加熱控制率等方式,降低了系統能耗20%以上;顏訓剛[58]提出一種間歇加熱方案,通過控制單次加熱時間,對比傳統持續加熱方案,在功率密度為1 300 W/m2下節省能量1 137.5 J,1 400 W/m2下節省1 050 J;苗波[59]對壓電元件貼片數量及集中度對目標位置表面剪應力的影響進行了研究,實驗表明,優化后的排列布局可以將除冰耗能降至65.77 W/m2;石忠華等[60]針對NACA 0015機翼,對于壓電片的布置,針對其與覆冰前緣的距離以及膠層厚度的兩大因素進行了優化設計,最終相較于傳統的電熱除冰,此結構在除冰過程中的能耗降至了16%左右;鄭春濤[61]采用電熱-電脈沖復合除冰系統,對于15 mm左右的冰層進行實驗時發現,能量消耗從電熱除冰的227 kJ將至137 kJ,節能達40%。可即使如此,主動除冰技術的能耗仍是一個很大的問題。

被動除冰技術幾乎不產生能耗的特性引起了研究者的關注,近年來,不斷有研究者提出主動除冰耦合被動除冰技術,其在提高除冰效果的同時,能耗也得到了顯著的降低。Antonini等[62]將超疏水材料涂覆于NACA0012翼型表面并結合電加熱元件,使防冰能耗降低80%;彭蘭清等[54]在前述超疏水表面耦合電熱除冰的實驗中發現,耦合元件在-17 ℃和0.3 W/cm2的熱流密度條件下,相較于傳統金屬絲,其除冰能耗有效降低了49%;Liu等[51]分別在干、濕表面測試超疏水電熱復合表面和電熱防冰所需的熱流密度,分別從 1 923 W/m2將至1 099 W/m2,824 W/m2將至549 W/m2,減少了43%和33%的能耗;Wei等[56]設計的超疏水電熱低頻振動除冰方案中,低頻振動的功率只占到了電熱功率的1.8%,以極小比例的能耗產生了對比明顯的除冰效果提升。可見,主動除冰耦合被動防冰技術有效降低了除冰能耗,就有重要研究意義。

5 結論

飛機結冰會嚴重影響飛行安全,如何實現高效低能的除冰是目前航空領域的研究熱點之一。本文分別介紹了主動除冰技術及被動除冰技術的除冰機理與研究現狀,具體涉及了電熱除冰、壓電除冰、超疏水表面防冰和低界面韌性表面防冰四類技術,并對能耗控制的研究現狀進行了闡述。

主動除冰系統的研究相較而言更加成熟,作為主流除冰技術,其具有優良的除冰效果,但是能耗高的問題仍然是其發展的一個重要限制因素。電熱除冰本身的高能耗不適用于飛機低能發展的目標,并且在能量提供不足之時,還易產生融冰回流的現象,影響除冰效率的同時還對于飛行安全存在威脅;壓電除冰在能耗角度上,相較電熱除冰有了一定的降低,但通過振動使冰層脫離的過程中仍然會消耗大量的能量,同時除冰效率也有待進一步提升。

被動除冰系統主要是通過材料表面改性實現防/除冰,但產生的除冰效果有限。超疏水表面目前只能延遲結冰,并無法真正做到阻止結冰,同時表面或者涂層的應用都易受環境的影響,遭到磨損或破壞后其性能存在衰減現象,并且其除冰效果會受限于結冰尺寸因素;而低界面韌性涂層由于具有低的固-冰斷裂韌性,可有效降低大面積除冰時所需的外力,但對于該涂層的研究尚處于起步階段,相關機理和控制因素仍待探究。

鑒于各類技術都存在優勢與不足,近年來以超疏水電熱耦合除冰為代表的主被動耦合除冰技術的研究受到廣泛關注,其在有效降低冰黏附強度的同時也控制了能耗。主被動耦合除冰技術作為一種新型除冰技術,尋找更加合適的除冰技術進行耦合仍然是該領域的研究重點。在對不同技術機理和特點總結后,可以發現壓電除冰具有能耗更低的特點,且不存在融冰回流問題,而低界面韌性涂層對于大面積結構除冰更具優勢,僅需極小的外力甚至靠自身重力即可完成表面冰層脫離,面對飛機大面積、高效、低能除冰的需求,二者耦合除冰具有重要的應用前景。除此之外,對于各自技術的優化改良以及耦合應用機理的探究也是另一大研究重點。在低界面韌性涂層耦合壓電除冰的方向,深入研究冰層臨界尺寸的材料控制因素、固冰界面微裂紋的誘發機理等涂層問題,以及壓電元件的尺寸、排列布局等因素對于耦合除冰系統效率的影響,這也為解決航空航天等領域大面積積冰條件下除冰能耗高、除冰效率低等問題提供了新的研究思路。