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大型结构的防冰涂层依赖于“美丽的力学展示”,中国建材网,cnprofit.com
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大型结构的防冰涂层依赖于“美丽的力学展示”
2019年04月30日    阅读量:450    新闻来源:中国建材网 cnprofit.com  |  投稿

一种新型的涂层可以毫不费力地从大型表面上脱落,这使得研究人员更接近他们长达数十年的防冰货船,飞机,电力线和其他大型结构的目标。


密歇根大学开发的喷涂涂层可以使冰从结构中脱落 - 无论其大小如何 - 只需轻微的力量,或者通常是冰块本身的重量。有关该研究的论文发表在“科学”杂志上中国建材网cnprofit.com


在模拟电源线的测试中,涂层立即脱落冰。


研究人员克服了以前的防冰涂层的一个主要局限 - 虽然它们在小区域工作得很好,研究人员在现场测试中发现,他们没有像他们希望的那样有效地在非常大的表面上洒冰。这是一个问题,因为冰往往会导致最大表面上的最大问题 - 效率降低,危及安全性并且需要昂贵的拆卸。


他们通过“美丽的机械演示”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种在结冰研究中并不为人所知的财产。


“几十年来,涂料研究的重点是降低粘合强度 - 从表面撕下一片冰所需的单位面积力,”Tuteja说。“这种策略的问题在于冰块越大,所需的力就越大。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。“


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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促使在冰和表面之间形成裂缝。并且不像破坏冰盖的表面粘附力,这需要撕开整个薄片,裂缝只能沿着其前缘自由地破坏表面。一旦裂缝开始,它就会迅速扩散到整个冰面上,无论其大小如何。


“想象一下,在地板上拉地毯,”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抵制你。摩擦力类似于界面强度。


“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。“


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。


“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,如果他要测试越来越多的冰,他会发现失效负荷会上升,而界面强度很重要,但一旦韧性变得重要,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。


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