复合材料层合结构在防覆冰/除冰系统中的应用

陈炳彬 张 征 鲁聪达 吴化平 柴国钟

浙江工业大学机械工程学院，杭州，310014

0 引言

材料表面覆冰是一种常见的自然现象，但是室外建筑材料表面以及航空、通信、电力和运输设备的表面覆冰现象却给人们的生产、生活带来诸多不便，进而造成巨大的经济损失，甚至威胁生命财产安全[1]。飞机在穿越云层或者遇到冻雨时，云层中的过冷水滴会浸润飞机机体，当环境温度低于0 ℃时，这些水滴将在机体表面形成冰层。同时，云层中的小水滴不断与冰层表面接触，形成新的冰层，使得冰层的厚度不断增大，导致飞机在飞行过程中所受阻力增大。随着飞机整体质量的增大，燃油的消耗也将随之增加从而威胁到了飞机的安全飞行[2]。较为有效的传统除冰方式是采用一种电热型冰保护系统(ice protect system，IPS)来融化冰层，从而起到保护设备的作用[3]。同时，一些新型材料在IPS中的运用受到越来越多的关注，例如可变形的双稳态结构材料[4]和仿生超疏水材料[5]。非对称正交铺设的双稳态结构材料由平板高温固化并自然冷却至室温后自然形成屈曲形态，而屈曲形态的形成是由于结构内部存在残余热应力，因此，通过加热的方式可以释放残余热应力[6-7]，驱动双稳态结构产生稳态转变，从而形成一种新型电热-机械耦合机制[8]。

超疏水材料在防覆冰领域也备受关注，特殊的浸润特性使水滴在其表面的接触角较大、不易黏附，且具有延长水滴结冰时间的特性[9]；同时，超疏水材料的表面能较低，可以减小冰层对界面的黏附力，使冰层更容易在受外力因素(如冰层自身的重力、风力及机械振动力等)的影响下从材料表面脱落，因此，超疏水材料能够在IPS中起到独特的作用。

由于双稳态结构和超疏水材料能够在防覆冰和除冰领域中发挥作用，因此，本文将双稳态结构与超疏水材料结合，以聚酰亚胺(polyimide，PI)电热合金软膜为热源形成电热-机械机制，设计出一种新型的防覆冰/除冰系统。对该系统的工程性能进行了测试，包括：强紫外线耐性、耐变形性、耐高低温交变性及系统的防覆冰和除冰效果。

1 系统设计及性能测试

1.1 复合层合结构设计

新型复合层合结构如图1所示，最上层为制备的铜基超疏水材料；中间层为非对称正交铺设的双稳态结构；最下层为PI电热合金软膜，作为驱动双稳态结构的热源。其中：①系统表面的铜基超疏水材料是通过将铜箔贴附在双稳态结构上，然后用K2S2O8溶液对铜箔进行化学腐蚀，最后用硬脂酸的乙醇溶液浸泡并烘干后得到的[10-11]；②PI电热合金软膜直接通过3M软胶贴附在双稳态结构的表面。

图1 新型防覆冰/除冰系统结构及稳态转变示意图Fig.1 The schematic diagram of the anti-icing/de-icing system and its steady-state transition

对所设计的复合材料层合结构进行外加载荷分析[12-13]，得到如图2所示的载荷-位移曲线，其中试件1为仅有双稳态结构，试件4为完整系统结构，试件2缺少PI电热合金软膜，试件3缺少铜基超疏水材料。分析图2可知：PI电热合金软膜对原双稳态结构的结构特性产生了较大的影响，使得系统结构发生稳态转变所需的临界载荷增大了10.5%，最大位移减小了27.5%。然而，从曲线的趋势和驱动试验的结果来看，PI电热合金软膜并未对系统主体的双稳态特性产生破坏性的影响，图2中4条曲线最后都有一个骤降的过程，这一过程即为结构产生稳态转变时的突变过程，进而产生机械振动。因此，系统仍选用PI电热合金软膜作为热驱动的热源。

图2 不同复合材料层合结构的载荷-位移曲线Fig.2 Load-displacement curves of different composite laminated structures

选用德国Dataphysics OCA35对系统表面不同区域的接触角α进行测试，α的平均值αA达到155°。如图3a所示，水滴在铜基超疏水材料表面不同位置静止时均呈现规则的球形；试验中用注射器将水持续推射到铜基超疏水材料的表面[14]，水柱在接触材料表面后随即发生“折射”现象，并且水柱“折射”后，材料表面没有明显的水滴残留，如图3b～图3c所示；当水滴近距离滴落到具有一定倾斜角(小于10°)的铜基超疏水材料表面时，水滴随即从材料表面滚落，如图3d～图3f所示。上述结果均表明系统表面的铜基超疏水材料具有较好的超疏水特性。

(a) (b) (c)

(d) (e) (f)图3 铜基超疏水材料表面超疏水特性测试Fig.3 The superhydrophobic characteristics tests of copper-based superhydrophobic material

1.2 防覆冰/除冰系统性能测试

由于自然环境复杂多变，防覆冰/除冰系统在使用过程中将面临诸多问题，如：自身的使用寿命、强紫外线照射和高低温交变等，而自然环境因素可能会破坏系统结构，尤其是使表面材料的超疏水特性降低甚至消失，从而影响系统整体的防覆冰和除冰效果。因此，试验中设计了热驱动测试、强紫外光照射和温度调控三类性能测试来检验系统使用的稳定性。

首先，对防覆冰/除冰系统供电，使系统结构温度升高，并在双稳态结构发生稳态转变后停止对系统供电，当系统结构自然冷却后重复试验步骤，重复若干次后测试系统表面的接触角。试验中选用了3个试样作为研究对象，测试结果如图4所示。从图4中可以看出，在多次驱动结构发生稳态转变后，系统表面的接触角有所减小；但是，3个试样在系统结构发生300次稳态转变后，表面的接触角均在150°以上，即仍具有超疏水特性。这表明系统在多次重复使用后，对表面的超疏水特性影响较小，体现了超疏水材料的稳定性。

图4 热驱动测试后系统表面接触角变化Fig.4 Changes of surface contact angles of the system after thermal drive test

为检验系统在自然环境中使用时，结构表面的超疏水特性是否会因紫外线照射而失效[15]，试验过程中使用了波长为425 nm的LED紫外照射装置(型号为UP3-314)对系统表面6个不同区域进行连续照射，照射时长为12 h。同时，对系统表面被测区域照射前后的接触角进行测试，比较紫外光照射前后系统表面接触角的变化情况。如图5所示，结构表面6个区域在被强紫外光照射后，接触角的变化较小，这表明系统表面具有较好的紫外光耐受性。

图5 紫外线照射后系统表面接触角变化Fig.5 Changes of surface contact angles of system after ultraviolet rays-irradiation

使用高低温湿热试验箱(型号为EW0470)对4个不同的系统结构进行高低温交变试验。试验中将4个试样分别放入试验箱中，设置不同的温度变化方式，并测试出4个不同的试样在试验前后接触角值，结果如图6所示。由图6中试样前后接触角变化可知，环境温度的变化对系统表面铜基超疏水材料的影响极小，4个试样表面具有稳定的超疏水特性。

图6 温度交变环境中系统表面接触角变化Fig.6 Changes of surface contact angles in an alternating temperature environment

2 新型防覆冰/除冰系统测试

所设计的新型防覆冰/除冰系统是一种电热-机械复合机制系统，具有主动防覆冰及快速除冰功能，且水滴极易在机械振动、风力等因素的影响下，从具有超疏水特性的系统表面脱离。在一般情况下，系统可通过热驱动法使系统结构的温度保持在冰点以上，并有效解决水滴黏附问题，从而在源头上预防覆冰的发生；而在极端天气环境中，当表面的覆冰现象不可避免时，可提高热驱动的加热功率，通过持续加热产生的热量和热驱动双稳态结构时产生的机械振动起到快速除冰和预防二次覆冰的效果。

2.1延迟结冰(原位结冰)

在0 ℃以下的环境中，通过观察水滴在不同材料表面结冰的情况，可以判断出哪种材料表面具有延长水滴结冰时间的功能[16]。

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

试验中，选择铜基超疏水材料、紫铜箔和双稳态结构(碳纤维材料)作为研究试样，将三种试样放入低温箱中，设置温度为-10 ℃，然后将三滴0.02 mL的去离子水分别转移到材料表面，并用电子显微镜记录下不同时间水滴在三种试样表面的结冰情况，试验结果如图7所示。从图7所示的水滴结冰情况可以看出，水滴在铜基超疏水材料表面的结冰时间最长，达到1 996 s，为其余两种材料的3倍和5倍。这表明所制备的铜基超疏水材料在延长表面水滴结冰时间方面有较好的效果，从而为热驱动法在防覆冰或除冰过程中的使用争取更多的时间。

0 s 200 s 300 s 400 s 602 s(b)紫铜箔

0 s 200 s 300 s 437 s(c)双稳态结构图7 原位水滴在不同材料表面结冰时间对比Fig.7 Comparisons of freezing time of in-situ water droplets on different materials surface

2.2 系统的防覆冰和除冰试验

为研究系统防覆冰和除冰的过程，试验设计了在低温环境下通过电热驱动双稳态结构进行主动防覆冰和除冰的测试试验(图8、图9)，具体步骤如下。

(1)在低温箱中搭建试验平台，如图8所示，同时将低温箱内的温度设置为-10℃。

图8 防覆冰/除冰测试平台Fig.8 De-icing/Anti-icing test platform

(2)在防覆冰测试中，持续向系统表面喷淋去离子水并在1 min后停止喷水，同时用电子显微镜记录下不同时间内材料表面的水滴黏附情况。随后，对系统通电，通过PI电热合金软膜产生的电热驱动双稳态结构发生稳态转变，产生机械振动。

(3)在除冰测试中，当喷淋在系统表面的水滴结成冰后开始对系统供电，加热驱动系统结构产生稳态转变，进而产生机械振动。

如图9a所示，在持续喷淋一段时间的水后，黏附在系统表面水滴在系统表面呈现规则的球状，但是水滴之间存有很大的间隙，并且水滴极易受外界因素影响而在超疏水表面发生滚动，因此在电热驱动双稳态结构后，产生的机械振动将系统表面的水滴弹开或者使其滚动。如图9c所示，当系统结构发生稳态转变后，系统表面已无明显水滴残留，从而在源头预防了系统表面覆冰的现象，起到主动预防结冰的作用。

(a) (b)

(c)图9 系统防覆冰和除冰试验Fig.9 Anti-icing and de-icing tests of system

由于所制备的铜基超疏水材料具有延迟水滴结冰的作用，因此在-10 ℃的环境中1 h后，如图9b所示，系统表面仍有未完全结冰的水滴存在。当系统表面大部分的水滴完全结冰后开始对系统供电，利用电热驱动双稳态结构，同时系统表面的冰开始迅速融化成水滴。由于系统结构发生稳态转变的过程中产生了机械振动，由冰融化的水滴被完全清除，从而实现了除冰的作用；同时，由于除冰过程结束后系统表面无明显的水滴残留，因此即使在-10 ℃的环境下，系统的表面也不易出现二次覆冰的现象。

因此，所设计的基于双稳态结构和铜基超疏水材料的新型防覆冰/除冰系统可应用的领域包括暴露在极端环境下的结构构件、结构表面材料(如风力发电机[17-18])和航天航空领域(如可变形机翼[19])等。

2.3 系统中各层复合材料对系统功能的影响分析

基于复合材料层合结构的新型防覆冰/除冰系统主要利用了三种材料的不同特性：①铜基超疏水材料的超疏水特性、延长水滴结冰时间和减小界面上冰层黏附力的特性；②双稳态结构在局部受热时会产生变形，且稳态转变过程中将产生机械振动；③PI电热合金软膜为柔性材料，与双稳态结构结合后可与双稳态结构的形变同步；同时，通电后产生的电热可驱动双稳态结构，使其产生稳态转变。

当移除铜基超疏水材料后，如图10a所示，水滴将黏附在双稳态结构表面，且与表面的接触面积较大，同时水滴会迅速在材料表面结成冰，并随着表面水滴量的增加而逐渐形成冰层，直至覆盖整个材料表面，如图10b所示，因此在相同时间内，由于双稳态结构表面对水滴黏附力较大，无超疏水表面的覆冰量将增大，如图10c所示。

(a) (b) (c)图10 移除铜基超疏水材料后系统表面防覆冰/除冰效果Fig.10 Anti-icing/De-icing results after removing the copper-superhydrophobic materials

因此，无论在防覆冰过程中还是在除冰过程中，当停止对系统供电后，材料表面的水滴完全脱除时，极易形成覆冰现象。但是在-10 ℃的环境中，当系统不能够为双稳态结构提供机械振动力时，虽然水滴仍在材料表面呈现稳定的球形且极易发生滚动，但在无明显外力的情况下，水滴还是会结成冰，如图11所示。在无外界干扰的条件下，水滴在-10 ℃的环境中又逐渐开始结冰。

图11 无机械振动时系统表面防覆冰/除冰效果Fig.11 Anti-icing/De-icing results of system surface without mechanical vibration

综上所述，所设计的新型防覆冰/除冰系统在同时结合铜基超疏水材料和非对称正交铺设双稳态结构材料的特性时，才能使系统具有良好的主动防覆冰和高效除冰功能。

3 结论

利用PI电热合金软膜电热驱动基于双稳态结构的复合材料，并在其表面增加超疏水材料层，设计了一种新型的防覆冰/除冰系统。表面的超疏水材料具有较好的疏水特性、强紫外线耐性、耐高低温交变性和延长水滴结冰时间特性等；同时，系统具有较好的主动防覆冰、快速除冰及预防二次覆冰的功能，为多功能的复合材料在防覆冰和除冰领域的应用提供了重要的参考价值。