表面特性对除冰的影响机制研究外文翻译资料

英语原文共 16 页，剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料

表面特性对除冰的影响机制研究

摘要：

在这项工作中，我们对除冰评估方法进行了比较研究，并研究了它们对表面特性的响应变化。机械除冰测量包括离心法、推动法和拉伸法。离心和水平推动（剪切）方法表明冰粘附强度与表面粗糙度呈线性关系，而拉伸（正常）方法表明冰粘附强度与接触角滞后呈反曲线关系。在指定的表面粗糙度范围内，还表明了基于剪切的方法的接触角滞后的部分相关性。我们还对 1H,1H,2H,2H-全氟辛基三乙氧基硅烷涂层表面进行了进一步尝试，冰附着力在使用正常除冰方法时明显降低，而基于剪切的方法没有显示出冰粘附的显着变化，这突出了它们以机械力为中心指标的响应。最后，我们使用混合除冰方法进行了进一步评估，以验证表面特性对涉及加热的除冰的影响，这证明了在指定的表面粗糙度范围内，能量消耗与冰粘附强度存在部分相关性。本研究中获得的结果提供了有关表面特征对冰附着力影响的重要信息，并给出了一些通常使用的除冰评估方法的材料相关性。这些结论可用于判断评估疏冰表面和涂层的测试方法，突出他们以机械力为中心的反应。

关键词：除冰评价；表面特性；

1. 介绍

积冰问题是一个价值数十亿美元的重大难题。当今世界已对积冰问题的多个方面进行了广泛研究，但冰脱离（除冰）或冰形成延迟（防冰）仍然是被动疏冰除冰研究的主要指标。在过去的 90 年中，不同的除冰评估方法被用于评估疏冰性能。因为当前不存在标准化除冰评估方法，这就意味着每个研究团队都会公布他们独自的测量数据，并且由于结冰样品制备、测量大小、施加力和界面接触面积的变化，数据的可比性很困难。例如，使用现有的除冰方法测量的冰附着力因强度的而变化 [1] ，并且整个界面区域的应力分布不均匀[2 ]。

这些除冰测试中的大多数包括机械测试（例如推力法）[3-5] 、剪切法（例如剪力搭接接头 测试）[6-8] 、离心机旋转测试[9-11] ，以及拉伸法 [ 12 – 14 ]。其中，因为其设计简单且经济，测量冰附着强度的最广泛使用的方法之一是水平/垂直推动法（HPM）。推压法测得的冰附着强度受测力探头接触位置的影响很大。在这种情况下，应力分布很可能不是完全均匀的 [1,15]。另一方面，离心法 (CAT) 是可重复性最高的冰附着力测试，是测量大型部件的理想选择 [1,15]。然而，这种方法设置复杂，无法生成应力-应变曲线[ 16]。除操作和设备限制外，通过除冰方法测量的固有剪切力或标称粘附力还取决于界面接触面积，其真实接触面积可能随表面粗糙度和/或润湿性模型的变化而变化。例如，润湿模型的变化或具有不同表面特征的冰状形成的变化可能对冰断裂力学产生严重影响。从断裂力学的角度来看，除冰方法对裂纹尖端和裂纹形成施加不同的剪切应力和剥离应力，其传播完全取决于载荷情况和方向[ 17 ]。

开启除冰评估方法标准化的富有前景的策略可能包括对现有技术进行全面审查，突出这些方法所具有的相似性，挑战革新这些方法实施的过程，并在研究实验室之间建立联系与合作，以使用不同的测试台来比较冰附着力结果以交叉验证评价方法和结果。实验室间检查项目在过去几年已经启动 [ 2 , 18 ]，并报告了对现有除冰评估技术的审查 [ 1 , 15 , 16 ]。然而，与表面特性相关的对冰附着力的影响尚未开始研究。Work et al. [ 1] 回顾了除冰技术，并指出温度、表面粗糙度、应变率和冲击速度等参数在冰附着力测量中起着至关重要的作用。此外，他们指出，大多数研究并未表明除冰测试期间应力集中的影响，这可能导致结果呈现显著的差别。Laroche等人[ 19] 发现影响冰的附着力的主要因素是冰的纯度、表面特征（润湿性）、表面纹理（粗糙度）和测试温度。总体而言，我们需要对除冰评估方法进行初步量化，同时保持温度、表面粗糙度、润湿性和界面接触面积等测试参数不变。这些结果有助于进一步了解表面特征的影响，这可能涉及表面特征的系统变化、除冰断裂力学以及冰/表面界面中应力集中的产生。

在本文中，我们对三种除冰方法进行了比较研究，重点研究了表面特性对除冰评价的影响。首先，使用离心法、水平推动法和拉伸法测量冰的粘附强度，确保所有测试的界面接触面积和测试温度相同。这些方法在冰/固体界面的断裂力学、可能的应力集中、热力学和表面润湿性的影响方面得到了进一步的讨论。其次，还检查了通过混合除冰方法在冰/表面界面处加热的效果。此外，分析比较结果以研究响应随样品表面特征的变化以及除冰方法。这些结果可以填补关于表面特性对使用不同除冰方法测量的冰粘附强度影响的知识空白。最后，这些结论可用于定义评估疏冰表面和涂层的适当测试方法。

2. 实验

本研究使用了四种类型的材料/涂层，并对每种表面的表面粗糙度、润湿性和冰附着强度进行了表征和比较。材料类型和涂层总结在表1中，它们的性能在补充表 S1 中有详细说明。

2.1基材和原材料

不锈钢 303 (SS 303) 和铝 2024 (Al 2024-T4) 板材用作参考，尺寸分别为 50 mmtimes;20 mmtimes;3 mm和50 mmtimes;20 mmtimes;1mm。1H,1H,2H,2H-全氟辛基三乙氧基硅烷 (POTS)购Fluorochem Ltd。微抛光布和胶态二氧化硅悬浮液分别购自Struers和MetPrep。N, N-二甲基甲酰胺 (DMF) 购自Sigma-Aldrich。

颗粒形式的热塑性聚氨酯基质Estane 54610 (TPU) 购自Lubrizol, USA。尺寸为70 nm的六方氮化硼纳米颗粒(hBN NPs) 购自加拿大Lowerfriction润滑剂制造商。所有材料均按原样使用。

2.2涂料的准备

Al-AR/SS-AR 样品/基材用乙醇和去离子水洗涤三次，然后使用压缩空气干燥样品。使用研磨和抛光技术对铝和不锈钢板样品进行平滑处理，其中分别使用粒度为 220、320、400 和 600 的砂纸、1 um 抛光布和 0.25 um（化学诱导）抛光布，使用Metprep胶体二氧化硅悬浮颗粒。研磨和抛光技术在参考文献 [ 20 , 21中有详细说明]。Al-SB/SS-SB 样品在Guyson F1200 喷砂机系统中使用Guyson 180–220 um氧化铝颗粒进行粗糙化处理。Al-fSB/SS-fSB 样品随后通过采用化学气相沉积 (CVD) 方法使用POTS进行功能化，该方法已在其他地方报道 [ 22 ]。

我们开发了基于TPU的涂层，并使用之前报道的方法对纳米颗粒进行了功能化 [ 20 , 21 ]。所有涂层溶液在小瓶中磁力搅拌60分钟，然后超声混合30分钟。所有TPU-hBN涂层均使用浸涂法制造。将所得涂层在烘箱中在80°C下干燥 4 小时，然后在150°C下进一步处理8小时。

2.3表面表征

Zeta-20非接触式光学轮廓仪用于评估表面粗糙度。报告中提及的粗糙度值是至少 30 次测量的平均值，并且R a是在横跨观察表面的一条线上测量的。测量方法已在别处提及 [ 23 ]。该系统还用于检查观察表面的地形变化。FEI Quanta 650 ESEM（环境扫描电子显微镜）用于拍摄微观结构图像。使用相同的系统来观察本研究中检查的涂层的形态变化。补充表S1提供了表面粗糙度测量的完整数据。

2.4疏水性评价

固着滴技术用于使用 FTA˚ 200 测角仪测量水接触角 (WCA)，并分析了 5 升受控体积的水滴。测试在室温下进行，测量方法在其他地方进行了描述 [ 24 , 25 ]。补充表 S1 总结了静态和动态水接触角 (WCA)，包括前进 WCA (AWCA)、后退 WCA (RWCA) 和接触角滞后 (CAH)。

2.5除冰试验的评价方法

使用不同方法的冰粘附强度测量总结在补充表S1中。冰附着强度 可以通过下式计算，

，

其中 是底材/冰的投影接触面积， 是与冰分离相关的力。冰附着力测试是在-10 °C的表面/环境温度下进行的。必须注意的是，CAT 是在气候室中的零下环境条件下进行的，而HPM和NTM是在Peltier水冷板上进行的。冰模的形状是定制的，以适应测试的要求，而在所有三个测试中使用的冰模的接触面积都保持在3.1。

2.6离心法

采用 MOOG G403-2053A 伺服电机通过离心法来测量冰的剪切强度测试，测试在模拟冷冻条件的环境室（ALPHA 1550-40H）中进行。测量方法在我们之前的工作中进一步详述[ 26 ]。

样品上的剪切力 可以通过下式计算，

其中 是除冰时的转速，是转子的全长，是冰的质量。大块冰在环境室内的样品上生长，以避免向每个样品引入热和机械历史。

2.7水平（横向）推动法

冰剪切强度是在表面温度为 -10 摄氏度的定制装置中使用水平推动法测量的。关于定制装置的更多细节在我们之前的工作 [ 27 ] 中有详细说明。使用体积为5.48cm 3的方形模具在闭环水冷 Peltier 板上形成冰。HPM 中力探头的高度与表面保持最小距离

剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料

资料编号：[588636]，资料为PDF文档或Word文档，PDF文档可免费转换为Word