復合材料層合結構在防覆冰/除冰系統中的應用

陳炳彬 張 征 魯聰達 吳化平 柴國鐘

浙江工業大學機械工程學院，杭州，310014

0 引言

材料表面覆冰是一種常見的自然現象，但是室外建筑材料表面以及航空、通信、電力和運輸設備的表面覆冰現象卻給人們的生產、生活帶來諸多不便，進而造成巨大的經濟損失，甚至威脅生命財產安全[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，當環境溫度低于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，導致飛機在飛行過程中所受阻力增大。隨著飛機整體質量的增大，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]。較為有效的傳統除冰方式是采用一種電熱型冰保護系統(ice protect system，IPS)來融化冰層，從而起到保護設備的作用[3]。同時，一些新型材料在IPS中的運用受到越來越多的關注，例如可變形的雙穩態結構材料[4]和仿生超疏水材料[5]。非對稱正交鋪設的雙穩態結構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，而屈曲形態的形成是由于結構內部存在殘余熱應力，因此，通過加熱的方式可以釋放殘余熱應力[6-7]，驅動雙穩態結構產生穩態轉變，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域也備受關注，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。

由于雙穩態結構和超疏水材料能夠在防覆冰和除冰領域中發揮作用，因此，本文將雙穩態結構與超疏水材料結合，以聚酰亞胺(polyimide，PI)電熱合金軟膜為熱源形成電熱-機械機制，設計出一種新型的防覆冰/除冰系統。對該系統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的防覆冰和除冰效果。

1 系統設計及性能測試

1.1 復合層合結構設計

新型復合層合結構如圖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的雙穩態結構；最下層為PI電熱合金軟膜，作為驅動雙穩態結構的熱源。其中：①系統表面的銅基超疏水材料是通過將銅箔貼附在雙穩態結構上，然后用K2S2O8溶液對銅箔進行化學腐蝕，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軟膠貼附在雙穩態結構的表面。

圖1 新型防覆冰/除冰系統結構及穩態轉變示意圖Fig.1 The schematic diagram of the anti-icing/de-icing system and its steady-state transition

對所設計的復合材料層合結構進行外加載荷分析[12-13]，得到如圖2所示的載荷-位移曲線，其中試件1為僅有雙穩態結構，試件4為完整系統結構，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態結構的結構特性產生了較大的影響，使得系統結構發生穩態轉變所需的臨界載荷增大了10.5%，最大位移減小了27.5%。然而，從曲線的趨勢和驅動試驗的結果來看，PI電熱合金軟膜并未對系統主體的雙穩態特性產生破壞性的影響，圖2中4條曲線最后都有一個驟降的過程，這一過程即為結構產生穩態轉變時的突變過程，進而產生機械振動。因此，系統仍選用PI電熱合金軟膜作為熱驅動的熱源。

圖2 不同復合材料層合結構的載荷-位移曲線Fig.2 Load-displacement curves of different composite laminated structures

選用德國Dataphysics OCA35對系統表面不同區域的接觸角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規則的球形；試驗中用注射器將水持續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生“折射”現象，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。上述結果均表明系統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/除冰系統性能測試

由于自然環境復雜多變，防覆冰/除冰系統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，而自然環境因素可能會破壞系統結構，尤其是使表面材料的超疏水特性降低甚至消失，從而影響系統整體的防覆冰和除冰效果。因此，試驗中設計了熱驅動測試、強紫外光照射和溫度調控三類性能測試來檢驗系統使用的穩定性。

首先，對防覆冰/除冰系統供電，使系統結構溫度升高，并在雙穩態結構發生穩態轉變后停止對系統供電，當系統結構自然冷卻后重復試驗步驟，重復若干次后測試系統表面的接觸角。試驗中選用了3個試樣作為研究對象，測試結果如圖4所示。從圖4中可以看出，在多次驅動結構發生穩態轉變后，系統表面的接觸角有所減小；但是，3個試樣在系統結構發生300次穩態轉變后，表面的接觸角均在150°以上，即仍具有超疏水特性。這表明系統在多次重復使用后，對表面的超疏水特性影響較小，體現了超疏水材料的穩定性。

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

為檢驗系統在自然環境中使用時，結構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)對系統表面6個不同區域進行連續照射，照射時長為12 h。同時，對系統表面被測區域照射前后的接觸角進行測試，比較紫外光照射前后系統表面接觸角的變化情況。如圖5所示，結構表面6個區域在被強紫外光照射后，接觸角的變化較小，這表明系統表面具有較好的紫外光耐受性。

圖5 紫外線照射后系統表面接觸角變化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個不同的系統結構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，結果如圖6所示。由圖6中試樣前后接觸角變化可知，環境溫度的變化對系統表面銅基超疏水材料的影響極小，4個試樣表面具有穩定的超疏水特性。

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

2 新型防覆冰/除冰系統測試

所設計的新型防覆冰/除冰系統是一種電熱-機械復合機制系統，具有主動防覆冰及快速除冰功能，且水滴極易在機械振動、風力等因素的影響下，從具有超疏水特性的系統表面脫離。在一般情況下，系統可通過熱驅動法使系統結構的溫度保持在冰點以上，并有效解決水滴黏附問題，從而在源頭上預防覆冰的發生；而在極端天氣環境中，當表面的覆冰現象不可避免時，可提高熱驅動的加熱功率，通過持續加熱產生的熱量和熱驅動雙穩態結構時產生的機械振動起到快速除冰和預防二次覆冰的效果。

2.1延遲結冰(原位結冰)

在0 ℃以下的環境中，通過觀察水滴在不同材料表面結冰的情況，可以判斷出哪種材料表面具有延長水滴結冰時間的功能[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、紫銅箔和雙穩態結構(碳纖維材料)作為研究試樣，將三種試樣放入低溫箱中，設置溫度為-10 ℃，然后將三滴0.02 mL的去離子水分別轉移到材料表面，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冰情況，試驗結果如圖7所示。從圖7所示的水滴結冰情況可以看出，水滴在銅基超疏水材料表面的結冰時間最長，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冰時間方面有較好的效果，從而為熱驅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)雙穩態結構圖7 原位水滴在不同材料表面結冰時間對比Fig.7 Comparisons of freezing time of in-situ water droplets on different materials surface

2.2 系統的防覆冰和除冰試驗

為研究系統防覆冰和除冰的過程，試驗設計了在低溫環境下通過電熱驅動雙穩態結構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，同時將低溫箱內的溫度設置為-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，持續向系統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材料表面的水滴黏附情況。隨后，對系統通電，通過PI電熱合金軟膜產生的電熱驅動雙穩態結構發生穩態轉變，產生機械振動。

(3)在除冰測試中，當噴淋在系統表面的水滴結成冰后開始對系統供電，加熱驅動系統結構產生穩態轉變，進而產生機械振動。

如圖9a所示，在持續噴淋一段時間的水后，黏附在系統表面水滴在系統表面呈現規則的球狀，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生滾動，因此在電熱驅動雙穩態結構后，產生的機械振動將系統表面的水滴彈開或者使其滾動。如圖9c所示，當系統結構發生穩態轉變后，系統表面已無明顯水滴殘留，從而在源頭預防了系統表面覆冰的現象，起到主動預防結冰的作用。

(a) (b)

(c)圖9 系統防覆冰和除冰試驗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冰的作用，因此在-10 ℃的環境中1 h后，如圖9b所示，系統表面仍有未完全結冰的水滴存在。當系統表面大部分的水滴完全結冰后開始對系統供電，利用電熱驅動雙穩態結構，同時系統表面的冰開始迅速融化成水滴。由于系統結構發生穩態轉變的過程中產生了機械振動，由冰融化的水滴被完全清除，從而實現了除冰的作用；同時，由于除冰過程結束后系統表面無明顯的水滴殘留，因此即使在-10 ℃的環境下，系統的表面也不易出現二次覆冰的現象。

因此，所設計的基于雙穩態結構和銅基超疏水材料的新型防覆冰/除冰系統可應用的領域包括暴露在極端環境下的結構構件、結構表面材料(如風力發電機[17-18])和航天航空領域(如可變形機翼[19])等。

2.3 系統中各層復合材料對系統功能的影響分析

基于復合材料層合結構的新型防覆冰/除冰系統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、延長水滴結冰時間和減小界面上冰層黏附力的特性；②雙穩態結構在局部受熱時會產生變形，且穩態轉變過程中將產生機械振動；③PI電熱合金軟膜為柔性材料，與雙穩態結構結合后可與雙穩態結構的形變同步；同時，通電后產生的電熱可驅動雙穩態結構，使其產生穩態轉變。

當移除銅基超疏水材料后，如圖10a所示，水滴將黏附在雙穩態結構表面，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，由于雙穩態結構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，當停止對系統供電后，材料表面的水滴完全脫除時，極易形成覆冰現象。但是在-10 ℃的環境中，當系統不能夠為雙穩態結構提供機械振動力時，雖然水滴仍在材料表面呈現穩定的球形且極易發生滾動，但在無明顯外力的情況下，水滴還是會結成冰，如圖11所示。在無外界干擾的條件下，水滴在-10 ℃的環境中又逐漸開始結冰。

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

綜上所述，所設計的新型防覆冰/除冰系統在同時結合銅基超疏水材料和非對稱正交鋪設雙穩態結構材料的特性時，才能使系統具有良好的主動防覆冰和高效除冰功能。

3 結論

利用PI電熱合金軟膜電熱驅動基于雙穩態結構的復合材料，并在其表面增加超疏水材料層，設計了一種新型的防覆冰/除冰系統。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冰時間特性等；同時，系統具有較好的主動防覆冰、快速除冰及預防二次覆冰的功能，為多功能的復合材料在防覆冰和除冰領域的應用提供了重要的參考價值。