陳炳彬 張 征 魯聰達(dá) 吳化平 柴國(guó)鐘

浙江工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，杭州，310014

0 引言

材料表面覆冰是一種常見(jiàn)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(yùn)輸設(shè)備的表面覆冰現(xiàn)象卻給人們的生產(chǎn)、生活帶來(lái)諸多不便，進(jìn)而造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失，甚至威脅生命財(cái)產(chǎn)安全[1]。飛機(jī)在穿越云層或者遇到凍雨時(shí)，云層中的過(guò)冷水滴會(huì)浸潤(rùn)飛機(jī)機(jī)體，當(dāng)環(huán)境溫度低于0 ℃時(shí)，這些水滴將在機(jī)體表面形成冰層。同時(shí)，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(jī)在飛行過(guò)程中所受阻力增大。隨著飛機(jī)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(jī)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(hù)系統(tǒng)(ice protect system，IPS)來(lái)融化冰層，從而起到保護(hù)設(shè)備的作用[3]。同時(shí)，一些新型材料在IPS中的運(yùn)用受到越來(lái)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(duì)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(guò)加熱的方式可以釋放殘余熱應(yīng)力[6-7]，驅(qū)動(dòng)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(jī)械耦合機(jī)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(rùn)特性使水滴在其表面的接觸角較大、不易黏附，且具有延長(zhǎng)水滴結(jié)冰時(shí)間的特性[9]；同時(shí)，超疏水材料的表面能較低，可以減小冰層對(duì)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(jī)械振動(dòng)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(dú)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(jī)械機(jī)制，設(shè)計(jì)出一種新型的防覆冰/除冰系統(tǒng)。對(duì)該系統(tǒng)的工程性能進(jìn)行了測(cè)試，包括：強(qiáng)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(jì)及性能測(cè)試

1.1 復(fù)合層合結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

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(duì)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(dòng)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(guò)將銅箔貼附在雙穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)上，然后用K2S2O8溶液對(duì)銅箔進(jìn)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(guò)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(duì)所設(shè)計(jì)的復(fù)合材料層合結(jié)構(gòu)進(jìn)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(duì)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(shì)和驅(qū)動(dòng)試驗(yàn)的結(jié)果來(lái)看，PI電熱合金軟膜并未對(duì)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(gè)驟降的過(guò)程，這一過(guò)程即為結(jié)構(gòu)產(chǎn)生穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)變時(shí)的突變過(guò)程，進(jìn)而產(chǎn)生機(jī)械振動(dòng)。因此，系統(tǒng)仍選用PI電熱合金軟膜作為熱驅(qū)動(dòng)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(guó)Dataphysics OCA35對(duì)系統(tǒng)表面不同區(qū)域的接觸角α進(jìn)行測(cè)試，α的平均值αA達(dá)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(shí)均呈現(xiàn)規(guī)則的球形；試驗(yàn)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(méi)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(shí)，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(cè)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(cè)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(guò)程中將面臨諸多問(wèn)題，如：自身的使用壽命、強(qiáng)紫外線照射和高低溫交變等，而自然環(huán)境因素可能會(huì)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(yàn)中設(shè)計(jì)了熱驅(qū)動(dòng)測(cè)試、強(qiáng)紫外光照射和溫度調(diào)控三類性能測(cè)試來(lái)檢驗(yàn)系統(tǒng)使用的穩(wěn)定性。

首先，對(duì)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(duì)系統(tǒng)供電，當(dāng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)自然冷卻后重復(fù)試驗(yàn)步驟，重復(fù)若干次后測(cè)試系統(tǒng)表面的接觸角。試驗(yàn)中選用了3個(gè)試樣作為研究對(duì)象，測(cè)試結(jié)果如圖4所示。從圖4中可以看出，在多次驅(qū)動(dòng)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(gè)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(duì)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(dòng)測(cè)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(yàn)系統(tǒng)在自然環(huán)境中使用時(shí)，結(jié)構(gòu)表面的超疏水特性是否會(huì)因紫外線照射而失效[15]，試驗(yàn)過(guò)程中使用了波長(zhǎng)為425 nm的LED紫外照射裝置(型號(hào)為UP3-314)對(duì)系統(tǒng)表面6個(gè)不同區(qū)域進(jìn)行連續(xù)照射，照射時(shí)長(zhǎng)為12 h。同時(shí)，對(duì)系統(tǒng)表面被測(cè)區(qū)域照射前后的接觸角進(jìn)行測(cè)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(gè)區(qū)域在被強(qiáng)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(yàn)箱(型號(hào)為EW0470)對(duì)4個(gè)不同的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行高低溫交變?cè)囼?yàn)。試驗(yàn)中將4個(gè)試樣分別放入試驗(yàn)箱中，設(shè)置不同的溫度變化方式，并測(cè)試出4個(gè)不同的試樣在試驗(yàn)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(duì)系統(tǒng)表面銅基超疏水材料的影響極小，4個(gè)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(cè)試

所設(shè)計(jì)的新型防覆冰/除冰系統(tǒng)是一種電熱-機(jī)械復(fù)合機(jī)制系統(tǒng)，具有主動(dòng)防覆冰及快速除冰功能，且水滴極易在機(jī)械振動(dòng)、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(guò)熱驅(qū)動(dòng)法使系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的溫度保持在冰點(diǎn)以上，并有效解決水滴黏附問(wèn)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(shí)，可提高熱驅(qū)動(dòng)的加熱功率，通過(guò)持續(xù)加熱產(chǎn)生的熱量和熱驅(qū)動(dòng)雙穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)時(shí)產(chǎn)生的機(jī)械振動(dòng)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(guò)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(zhǎng)水滴結(jié)冰時(shí)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(yàn)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(shí)間水滴在三種試樣表面的結(jié)冰情況，試驗(yàn)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(shí)間最長(zhǎng)，達(dá)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(zhǎng)表面水滴結(jié)冰時(shí)間方面有較好的效果，從而為熱驅(qū)動(dòng)法在防覆冰或除冰過(guò)程中的使用爭(zhēng)取更多的時(shí)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(shí)間對(duì)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(yàn)

為研究系統(tǒng)防覆冰和除冰的過(guò)程，試驗(yàn)設(shè)計(jì)了在低溫環(huán)境下通過(guò)電熱驅(qū)動(dòng)雙穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)進(jìn)行主動(dòng)防覆冰和除冰的測(cè)試試驗(yàn)(圖8、圖9)，具體步驟如下。

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

圖8 防覆冰/除冰測(cè)試平臺(tái)Fig.8 De-icing/Anti-icing test platform

(2)在防覆冰測(cè)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(shí)用電子顯微鏡記錄下不同時(shí)間內(nèi)材料表面的水滴黏附情況。隨后，對(duì)系統(tǒng)通電，通過(guò)PI電熱合金軟膜產(chǎn)生的電熱驅(qū)動(dòng)雙穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)發(fā)生穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)變，產(chǎn)生機(jī)械振動(dòng)。

(3)在除冰測(cè)試中，當(dāng)噴淋在系統(tǒng)表面的水滴結(jié)成冰后開(kāi)始對(duì)系統(tǒng)供電，加熱驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)變，進(jìn)而產(chǎn)生機(jī)械振動(dòng)。

如圖9a所示，在持續(xù)噴淋一段時(shí)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(dòng)，因此在電熱驅(qū)動(dòng)雙穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)后，產(chǎn)生的機(jī)械振動(dòng)將系統(tǒng)表面的水滴彈開(kāi)或者使其滾動(dòng)。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(wú)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(dòng)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(yàn)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(kāi)始對(duì)系統(tǒng)供電，利用電熱驅(qū)動(dòng)雙穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)，同時(shí)系統(tǒng)表面的冰開(kāi)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(guò)程中產(chǎn)生了機(jī)械振動(dòng)，由冰融化的水滴被完全清除，從而實(shí)現(xiàn)了除冰的作用；同時(shí)，由于除冰過(guò)程結(jié)束后系統(tǒng)表面無(wú)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(jì)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(jī)[17-18])和航天航空領(lǐng)域(如可變形機(jī)翼[19])等。

2.3 系統(tǒng)中各層復(fù)合材料對(duì)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(zhǎng)水滴結(jié)冰時(shí)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(shí)會(huì)產(chǎn)生變形，且穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)變過(guò)程中將產(chǎn)生機(jī)械振動(dòng)；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(shí)，通電后產(chǎn)生的電熱可驅(qū)動(dòng)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(shí)水滴會(huì)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(gè)材料表面，如圖10b所示，因此在相同時(shí)間內(nèi)，由于雙穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)表面對(duì)水滴黏附力較大，無(wú)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(wú)論在防覆冰過(guò)程中還是在除冰過(guò)程中，當(dāng)停止對(duì)系統(tǒng)供電后，材料表面的水滴完全脫除時(shí)，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?yàn)殡p穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)提供機(jī)械振動(dòng)力時(shí)，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(dòng)，但在無(wú)明顯外力的情況下，水滴還是會(huì)結(jié)成冰，如圖11所示。在無(wú)外界干擾的條件下，水滴在-10 ℃的環(huán)境中又逐漸開(kāi)始結(jié)冰。

圖11 無(wú)機(jī)械振動(dòng)時(shí)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(jì)的新型防覆冰/除冰系統(tǒng)在同時(shí)結(jié)合銅基超疏水材料和非對(duì)稱正交鋪設(shè)雙穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)材料的特性時(shí)，才能使系統(tǒng)具有良好的主動(dòng)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(dòng)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(jì)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(qiáng)紫外線耐性、耐高低溫交變性和延長(zhǎng)水滴結(jié)冰時(shí)間特性等；同時(shí)，系統(tǒng)具有較好的主動(dòng)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(jià)值。