Revestimentos inteligentes de baixa tenacidade interfacial para

Nature Communications volume 13, número do artigo: 5119 (2022) Citar este artigo

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O acúmulo de gelo causa problemas em indústrias vitais e tem sido abordado nas últimas décadas com sistemas de degelo passivos ou ativos. Este trabalho apresenta um sistema de degelo inteligente, híbrido (passivo e ativo) através da combinação de um revestimento de baixa tenacidade interfacial, aquecedores de placas de circuito impresso e um sensor de microondas com detecção de gelo. A tenacidade interfacial do revestimento com o gelo depende da temperatura e pode ser modulada usando os aquecedores incorporados. Consequentemente, o degelo é realizado sem derreter a interface. A combinação sinérgica do revestimento de baixa tenacidade interfacial e dos aquecedores periódicos resulta em uma maior densidade de potência de degelo do que um sistema de aquecimento de cobertura total. O sistema de descongelamento híbrido também mostra durabilidade contra congelamento/descongelamento repetidos, abrasão mecânica, exposição externa e contaminação química. Um sensor ressonador de micro-ondas planar sem contato também foi projetado e implementado para detectar com precisão a presença ou ausência de água ou gelo na superfície durante a operação sob o revestimento, aumentando ainda mais a eficiência energética do sistema. A escalabilidade do revestimento inteligente é demonstrada usando interfaces geladas grandes (até 1 m). No geral, o sistema híbrido inteligente projetado aqui oferece uma mudança de paradigma no degelo que pode tornar uma superfície livre de gelo com eficiência, sem a necessidade de derretimento de interface energeticamente caro.

A acumulação indesejada de gelo é problemática em indústrias como a energia renovável (turbinas eólicas1,2, barragens hidroeléctricas3), aviação4 e transmissão de energia5. As estratégias de mitigação do gelo podem ser divididas em métodos ativos ou passivos. O degelo ativo envolve uma entrada de energia externa usada para remover o gelo, normalmente por meio de métodos térmicos, químicos ou mecânicos. Em contraste, o degelo passivo reduz a taxa de acumulação de gelo, diminui a força de adesão entre o gelo e a superfície, ou ambos. Nenhuma das rotas para uma superfície livre de gelo é vista como uma panaceia hoje, já que os métodos de degelo ativo utilizam energia substancial, mas os revestimentos de degelo passivo não podem manter uma superfície livre de gelo indefinidamente. Um sistema híbrido que combine sinergicamente tecnologias de degelo passivas e ativas pode ser uma solução atraente para o paradigma de acumulação de gelo.

Dispositivos elétricos têm sido amplamente empregados para degelo ativo em uma variedade de superfícies6,7,8 e utilizam aquecimento joule para aumentar a temperatura do gelo acumulado acima de 0 °C, facilitando sua remoção através de uma mudança de fase para água líquida9,10, 11,12. É necessária uma condutividade térmica/elétrica adequada para maximizar a eficiência do degelo e, ao mesmo tempo, minimizar o consumo de energia9,13,14. Aquecedores à base de grafeno6,15, bombeamento de ar quente16, aquecedores à base de polímeros condutores17,18,19 e, mais comumente, sistemas de aquecimento metálicos20,21,22,23 têm sido usados para fornecer calor suficiente para derreter o gelo interfacial. Por exemplo, Bustillos et al. fabricou um aquecedor de espuma de grafeno altamente termicamente/eletricamente condutor e flexível que poderia aumentar a temperatura da interface de -20 ° C e começar a derreter uma gota congelada em 33 segundos . Rahimi et al. usaram spray de plasma para depositar NiCrAlY em um compósito de vidro/epóxi e mostraram que ambas as morfologias finas e ásperas poderiam produzir calor suficiente para fins de degelo . Outro método de degelo ativo usado pela indústria da aviação envolve o fluxo de ar quente do motor através das asas da aeronave. Pellissier et al. caracterizaram esse bombeamento de ar quente para degelo e seus resultados de simulação mostram que o processo de transferência de calor é altamente complexo . No entanto, todas as técnicas anteriores de degelo ativo, embora eficazes, exigiram que toda a interface fosse elevada acima de 0 °C e, consequentemente, esses métodos consomem energia considerável para descongelar grandes superfícies, como pás de turbinas eólicas, asas de aeronaves ou barcos. cascos.

cm) iced interfaces45,46. LIT materials minimize the strain energy necessary to propagate an interfacial crack between the ice and surface, enabling size-independent de-icing, i.e. requiring a constant applied force for ice removal irrespective of the size of the iced interface. To-date, various LIT materials have been reported, including polymers such as polypropylene, PTFE, and ultra-high molecular polyethylene (UHMW-PE)46, as well as aluminum-based quasicrystalline coatings45. Zeng et al. introduced a LIT coating comprised of porous PDMS that exhibited lower interfacial toughness and hydrophobicity with increasing porosity47. Dhyani et al. fabricated transparent LIT PDMS and polyvinylchloride (PVC) coatings for photovoltaic applications, simultaneously demonstrating both a low interfacial toughness and ice adhesion strength48. Yu et al. fabricated robust LIT coatings based on PTFE particle assemblies, where the interfacial toughness was maintained after repeated icing and de-icing cycles49. And yet, to-date LIT materials have only been used as passive de-icing coatings./p> 4. Source data are provided as a Source Data file67./p> Lc) was measured while the heater locally raised the interfacial temperature from −20 °C to −5 °C (Fig. 5a). The critical detachment force for this first set was 131 ± 21 N, corresponding to an interfacial toughness with ice of Γ = 1.5 ± 0.4 J/m2. Additional icing/de-icing cycles were then conducted using 150 mm lengths of ice, followed by a repeat of the initial characterization. After these 43 icing/de-icing cycles, the average de-icing force was statistically equivalent (p-value: 0.22) to its initial value. The surface roughness was also unaffected (Fig. S4), indicating that the process of icing and de-icing did not damage the surface./p> Lc). Lc is the critical length of ice. De-icing force per width (Fice) values before and after the icing/de-icing cycles are statistically equivalent (p-value: 0.22). b The de-icing force or interfacial toughness (Γ) required to remove various lengths of ice after mechanical abrasion, chemical contamination, and outdoor exposure for 3 weeks. Minimum and maximum values are shown as the lowest and highest whiskers, respectively. The box presents the first quartile, mean, and the third quartile, from lower to higher amounts. c De-icing force for the multi-heater hybrid de-icing system, up to a length of 920 mm. The inset shows the accreted and de-iced surfaces. d Movie stills depicting the interfacial crack propagation and adhesive fracture underneath ice with a length of 500 mm and a width of 2 cm. All tests in a–d were conducted with 2.54 cm wide heaters locally raising the temperature from −20 °C to −5 °C. Errorbars denote 1 SD and here N ≥ 5. Source data are provided as a Source Data file67./p> 0.22), demonstrating the environmental durability of the hybrid de-icing system. Only the harsh abrasion increased the de-icing force statistically significantly (p-value: 0.002; Fig. 5b). This was due to the increase in roughness of the LIT material, from Sq = 1.55 µm to 3.39 µm, and this was statistically significant (Fig. S4). As interfacial toughness represents a strain energy per unit surface area, the commiserate increase in toughness with roughness was expected. Note, though, that the increase in interfacial toughness observed while using the heaters to modulate the local interfacial temperature of the abraded UHMW-PE (3.4 ± 0.9 J/m2) was still substantially less than that of the unabraded UHMW-PE film without heaters (6.1 ± 1.2 J/m2, see Fig. 3c). Accordingly, the hybrid de-icing system can compensate for any mechanical damage by using the heaters to achieve the required toughness value for a given set of environmental conditions./p> 0.05), the datapoint was included in the toughness regime, and the Fice value of the next shortest length of ice was considered. This procedure was repeated until the Fice value from the longest piece of ice in the strength-controlled regime was statistically different (p-value < 0.05) from the Fice value of the shortest length of ice in the toughness-controlled regime. The adhesion strength was then determined from the slope of best linear fit in the strength regime. The interfacial toughness was calculated using \({\Gamma={F}_{c}}^{2}/(E{H}_{{{{{{\rm{ice}}}}}}})\)46. Lc was then determined by the intersection of these two lines. Note that, for some experiments the measurement of Fice for longer lengths of ice served as a substitute for directly measuring Γ, and for such cases we assume Fice = Fc./p>