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破冰涂料将要来了,美国人研发新型涂层——ANN ARBOR

2019/5/29 18:25:23点击:

美国密歇根大学的研究人员开发出了一种新型涂层——ANN ARBOR ,它可以毫不费力地将冰从较大的表面上剥离出来,这使研究人员更接近他们几十年来一直致力于防冰的货船、飞机、电力线和其他大型结构物的目标。

新疆体彩网 密歇根大学开发的这款喷涂涂层,可以借助微风和冰块自身的重量,使任意大小的冰块自动从结构中脱落。研究人员在实验中将该涂料涂在电源线上,测试中,涂层上的冰块立即脱落。有关该研究的论文发表在《科学》杂志上。


研究人员克服了以往防冰涂层的一个主要局限 - 虽然它们在小面积的物体上发挥得很好,但没有办法在大面积的物体上起到很好的防冰作用。这是一个致命缺点,因为表面结冰往往会导致该物体最大表面上最先出现问题,例如:效率降低,危及安全性并且需要昂贵的拆卸。

他们通过“力学的完美演示”清除了这一障碍。材料科学与工程副教授Anish Tuteja描述了他和他的同事们如何转向一个在结冰研究中并不为人所熟知的领域。

新疆体彩网 “几十年来,涂料研究一直致力于降低粘合强度,即从表面撕下一片冰所需的单位面积力,”Tuteja说。“这种策略的主要问题在于冰块越大,所需的力就越大。在研究过程中我们发现,我们遇到了低粘合强度的极限,一旦表面积变得足够大,我们的涂层就变得无效了。”

新涂层通过引入第二种策略解决了这个问题:低界面韧性,缩写为LIT。具有低界面韧性的表面能促使冰和物体表面之间形成裂缝。并且不像破坏冰盖的表面粘附力那样,需要撕开整个薄片,裂缝能够沿着其前沿自由地破坏表面。一旦裂缝开始出现,它就会迅速扩散到整个冰面上,无论这块冰大小如何。

新疆体彩网 “想象一下,在地板上拉起一块地毯,”Janine Johnson Weins机械工程工程教授Michael Thouless说。“地毯越大,移动就越难。地毯和地板之间的整个界面的强度会与你的力相互抵制,摩擦力则类似于界面强度。

“但现在想象那块地毯上有皱纹。无论地毯有多大,都可以轻松地将皱纹推到地毯上。传播皱纹的阻力类似于阻止裂缝传播的界面韧性。“

新疆体彩网 无论如何,界面韧性的概念在断裂力学领域是众所周知的,其中它支撑着诸如层压表面和基于粘合剂的飞机接头之类的产品。但直到现在,它还没有应用于减冰。当Thouless得知Tuteja以前的工作并看到了机会时,进步就来了。

新疆体彩网 “传统上,断裂力学研究人员只关心界面韧性,冰减缓研究人员通常只关心界面强度,”Thouless说。“但这两个参数对于理解粘附力都很重要。

“我向Anish指出,如果他的测试需要增加冰块的面积,他会发现失效的概率会上升,而界面强度是很重要的,但一旦韧性也变得重要时,那么就会失稳。Anish和他的学生们尝试了这些实验,最后得到了一个非常漂亮的力学演示,以及冰粘合的新概念。“

为了测试这个想法,Tuteja的团队使用了他在之前的涂层研究中磨练的技术。通过绘制大量物质库的特性并增加界面韧性以及粘附强度,他们能够在数学上预测涂层的性质,而无需对每个物质进行物理测试。这使他们能够制作各种各样的组合,每种组合都具有界面韧性和粘合强度之间的专门定制平衡。

他们在大型表面上测试了各种涂层 - 一块约3平方英尺的刚性铝板和一块约1英寸宽,3英尺长的柔性铝件,以模拟电源线。在每个表面上,由于自身的重量,冰立即掉落。然而,它快速地粘在控制表面上,控制表面尺寸相同 - 一个是未涂层的,另一个涂有较早的防冰涂层。

该团队的下一步是提高LIT涂料的耐久性。而该论文的标题是“用于有效大规模除冰的低界面韧性材料。”除Tuteja和Thouless外,该团队还包括UM大分子科学与工程研究生Abhishek Dhyani和前UM材料科学与工程博士。学生Kevin Golovin。


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