美國密歇根大學(xué)的研究人員開發(fā)出了一種新型涂層——ANN ARBOR ，它可以毫不費(fèi)力地將冰從較大的表面上剝離出來，這使研究人員更接近他們幾十年來一直致力于防冰的貨船、飛機(jī)、電力線和其他大型結(jié)構(gòu)物的目標(biāo)。
研究人員成功開發(fā)大型表面防冰涂料美國密歇根大學(xué)的研究人員開發(fā)出了一種新型涂層——ANN ARBOR ，它可以毫不費(fèi)力地將冰從較大的表面上剝離出來，這使研究人員更接近他們幾十年來一直致力于防冰的貨船、飛機(jī)、電力線和其他大型結(jié)構(gòu)物的目標(biāo)。
密歇根大學(xué)開發(fā)的這款噴涂涂層，可以借助微風(fēng)和冰塊自身的重量，使任意大小的冰塊自動從結(jié)構(gòu)中脫落。研究人員在實(shí)驗(yàn)中將該涂料涂在電源線上，測試中，涂層上的冰塊立即脫落。有關(guān)該研究的論文發(fā)表在《科學(xué)》雜志上。
研究人員克服了以往防冰涂層的一個主要局限 - 雖然它們在小面積的物體上發(fā)揮得很好，但沒有辦法在大面積的物體上起到很好的防冰作用。這是一個致命缺點(diǎn)，因?yàn)楸砻娼Y(jié)冰往往會導(dǎo)致該物體最大表面上最先出現(xiàn)問題，例如：效率降低，危及安全性并且需要昂貴的拆卸。
他們通過“力學(xué)的完美演示”清除了這一障礙。材料科學(xué)與工程副教授Anish Tuteja描述了他和他的同事們?nèi)绾无D(zhuǎn)向一個在結(jié)冰研究中并不為人所熟知的領(lǐng)域。
“幾十年來，涂料研究一直致力于降低粘合強(qiáng)度，即從表面撕下一片冰所需的單位面積力，”Tuteja說。“這種策略的主要問題在于冰塊越大，所需的力就越大。在研究過程中我們發(fā)現(xiàn)，我們遇到了低粘合強(qiáng)度的極限，一旦表面積變得足夠大，我們的涂層就變得無效了。”
新涂層通過引入第二種策略解決了這個問題：低界面韌性，縮寫為LIT。具有低界面韌性的表面能促使冰和物體表面之間形成裂縫。并且不像破壞冰蓋的表面粘附力那樣，需要撕開整個薄片，裂縫能夠沿著其前沿自由地破壞表面。一旦裂縫開始出現(xiàn)，它就會迅速擴(kuò)散到整個冰面上，無論這塊冰大小如何。
“想象一下，在地板上拉起一塊地毯，”Janine Johnson Weins機(jī)械工程工程教授Michael Thouless說。“地毯越大，移動就越難。地毯和地板之間的整個界面的強(qiáng)度會與你的力相互抵制，摩擦力則類似于界面強(qiáng)度。
“但現(xiàn)在想象那塊地毯上有皺紋。無論地毯有多大，都可以輕松地將皺紋推到地毯上。傳播皺紋的阻力類似于阻止裂縫傳播的界面韌性。“
無論如何，界面韌性的概念在斷裂力學(xué)領(lǐng)域是眾所周知的，其中它支撐著諸如層壓表面和基于粘合劑的飛機(jī)接頭之類的產(chǎn)品。但直到現(xiàn)在，它還沒有應(yīng)用于減冰。當(dāng)Thouless得知Tuteja以前的工作并看到了機(jī)會時，進(jìn)步就來了。
“傳統(tǒng)上，斷裂力學(xué)研究人員只關(guān)心界面韌性，冰減緩研究人員通常只關(guān)心界面強(qiáng)度，”Thouless說。“但這兩個參數(shù)對于理解粘附力都很重要。
“我向Anish指出，如果他的測試需要增加冰塊的面積，他會發(fā)現(xiàn)失效的概率會上升，而界面強(qiáng)度是很重要的，但一旦韌性也變得重要時，那么就會失穩(wěn)。Anish和他的學(xué)生們嘗試了這些實(shí)驗(yàn)，最后得到了一個非常漂亮的力學(xué)演示，以及冰粘合的新概念。“
為了測試這個想法，Tuteja的團(tuán)隊使用了他在之前的涂層研究中磨練的技術(shù)。通過繪制大量物質(zhì)庫的特性并增加界面韌性以及粘附強(qiáng)度，他們能夠在數(shù)學(xué)上預(yù)測涂層的性質(zhì)，而無需對每個物質(zhì)進(jìn)行物理測試。這使他們能夠制作各種各樣的組合，每種組合都具有界面韌性和粘合強(qiáng)度之間的專門定制平衡。
他們在大型表面上測試了各種涂層 - 一塊約3平方英尺的剛性鋁板和一塊約1英寸寬，3英尺長的柔性鋁件，以模擬電源線。在每個表面上，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 - 一個是未涂層的，另一個涂有較早的防冰涂層。
該團(tuán)隊的下一步是提高LIT涂料的耐久性。而該論文的標(biāo)題是“用于有效大規(guī)模除冰的低界面韌性材料。”除Tuteja和Thouless外，該團(tuán)隊還包括UM大分子科學(xué)與工程研究生Abhishek Dhyani和前UM材料科學(xué)與工程博士。學(xué)生Kevin Golovin。海軍研究辦公室，空軍科學(xué)研究辦公室，國家科學(xué)基金會和納米制造計劃資助了這項(xiàng)研究。
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