スマートな低界面靭性コーティング

Nature Communications volume 13、記事番号: 5119 (2022) この記事を引用

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着氷は重要な産業に問題を引き起こすため、過去数十年にわたってパッシブまたはアクティブな除氷システムによって対処されてきました。 この研究では、低界面靭性コーティング、プリント基板ヒーター、および氷検出マイクロ波センサーの組み合わせによる、スマートなハイブリッド (パッシブおよびアクティブ) 除氷システムを紹介します。 コーティングの氷との界面靱性は温度に依存することが判明しており、埋め込まれたヒーターを使用して調整できる。 したがって、界面を溶融させることなく除氷が実現される。 低界面靱性コーティングと周期的ヒーターの相乗効果により、全面ヒーター システムよりも高い除氷電力密度が得られます。 ハイブリッド除氷システムは、繰り返しの着氷/除氷、機械的磨耗、屋外暴露、化学汚染に対する耐久性も示しています。 さらに、非接触平面マイクロ波共振器センサーが、コーティングの下で​​動作しながら表面の水や氷の有無を正確に検出するように設計および実装されており、システムのエネルギー効率がさらに向上します。 スマート コーティングの拡張性は、大きな (最大 1 m) 氷のインターフェイスを使用して実証されます。 全体として、ここで設計されたスマート ハイブリッド システムは、エネルギー的に高価な界面溶解を必要とせずに、効率的に表面を氷のない状態にすることができる、除氷のパラダイム シフトを提供します。

望ましくない氷の蓄積は、再生可能エネルギー (風力タービン 1、2、水力発電ダム 3)、航空 4、送電 5 などの業界で問題になっています。 氷の緩和戦略は、アクティブな方法とパッシブな方法に分けることができます。 アクティブな除氷には、通常、熱的、化学的、または機械的な方法を通じて、氷を除去するために使用される外部エネルギーの入力が含まれます。 対照的に、受動的除氷は、氷の付着速度を低下させるか、氷と表面の間の接着強度を低下させるか、あるいはその両方を行います。 能動的な除氷方法はかなりのエネルギーを使用しますが、受動的な除氷コーティングでは表面を永久に氷のない状態に保つことはできないため、今日では氷のない表面に向かうどちらのルートも万能薬とは見なされません。 パッシブ除氷技術とアクティブ除氷技術を相乗的に組み合わせたハイブリッド システムは、着氷パラダイムに対する魅力的な解決策となる可能性があります。

電気装置は、さまざまな表面の能動的除氷に広く使用されており6、7、8、ジュール加熱を利用して付着した氷の温度を0℃以上に上昇させ、液体の水への相変化による氷の除去を促進します9、10。 11、12。 エネルギー消費を最小限に抑えながら除氷効率を最大化するには、適切な熱/電気伝導率が必要です9、13、14。 グラフェンベースのヒーター6、15、熱風ポンピング16、導電性ポリマーベースのヒーター17、18、19、そして最も一般的には金属加熱システム20、21、22、23はすべて、界面の氷を溶かすのに十分な熱を提供するために使用されてきました。 たとえば、Bustillos et al. は、界面温度を -20 °C から上昇させ、33 秒以内に凍結した液滴を溶かし始めることができる、熱/電気伝導性が高く、柔軟なグラフェン発泡ヒーターを製造しました。 ラヒミら。 は、プラズマ スプレーを使用して NiCrAlY をガラス/エポキシ複合材料上に堆積させ、微細な形態と粗い形態の両方が除氷の目的に十分な熱を生成できることを示しました 23。 航空業界で使用されているもう 1 つの積極的な除氷方法には、航空機の翼を通してエンジンからの熱いブリード空気を流すことが含まれます。 ペリシエら。 除氷のためのこのような熱風ポンピングの特徴付けが行われ、そのシミュレーション結果は、熱伝達プロセスが非常に複雑であることを示しています24。 しかし、これまでの能動的な除氷技術はどれも効果的ではありますが、界面全体を 0 °C 以上に上げる必要があり、したがって、これらの方法は風力タービンのブレード、航空機の翼、ボートなどの広い表面を除氷するためにかなりのエネルギーを消費します。船体。

代替手段として、受動的な除氷法では、特定の表面特性を持つコーティングを利用して、氷の付着速度を低下させたり、表面への氷の付着を軽減したりして、自重、風、その他の空気力学/環境力によって氷を除去できます。 最近のレビューで、Dhyani et al. 受動的な除氷のための多くの表面設計戦略について詳しく説明します25。 着氷遅延の観点からは、超疎水性表面 (SHS) は高い水接触角と低い接触角ヒステリシスを備えた優れた撥水性で知られています 26。 SHS は、熱伝導率が低く、表面/液滴接触面積が最小限であるため、着氷遅延、過冷却水滴の除去、および液滴凍結遅延の点で優れた実験室規模の除氷効果を実証しています 27,28,29。 ただし、SHS の着氷の遅れは通常、分単位で測定されるため、一度着氷した氷を除去する方法が依然として必要です。

パッシブ除氷コーティングは、必ずしも氷の付着速度を低下させることなく、氷とコーティングされた基材の間の接着結合を減少させることもできます。 ポリジメチルシロキサン (PDMS) とポリテトラフルオロエチレン (PTFE) の 2 つの材料は、表面エネルギーが低いことで知られており、受動的除氷に頻繁に使用されています30。 このような材料は氷との結合が弱いため、薄膜 31、自己組織化単層 32、潤滑剤注入表面 33、34 などのさまざまなコーティング構成において非常に低い氷接着強度を示しています。 趙ら。 は、シリコンオイルを注入した疎氷性コーティングを作製し、-10 °C で円筒形の氷に対する低せん断氷付着強度を実証しました33。 同様に、Liu ら。 は、氷の付着を大幅に減少させ、着氷を遅らせるためのフッ素化 PDMS フィルムを発表しました 35。 液体水と固体氷の間の結合は固体-固体結合よりもはるかに弱いため、高表面エネルギー両親媒性材料は、ナノメートルスケールの液体水表面層を作成することによって、表面の氷付着強度を大幅に低下させることもできます34。 たとえば、PDMS とブレンドされたポリ（エチレングリコール）では水蒸気の吸収が実証されており、その結果、受動的除氷効果を高める薄い水層が形成されます 36。

最近、アクティブ除氷と SHS コーティングを組み合わせたハイブリッド方法が検討されています。 チェンら。 は、ハイブリッド除氷用に磁性粒子を使用した SHS コーティングを作製し、温度を 0 °C 以上に上昇させると、コーティングが優れた氷/水除去効果を発揮できることを示しました 37。 マら。 は、光熱除氷アプローチとして窒化チタン/ポリテトラフルオロエチレン複合SHSコーティングを導入しました38。 設計された光熱超疎水性表面は、氷の形成を遅らせるだけでなく、吸収された光を熱エネルギーに変換し、表面の氷を溶かします。 さらに、Gao ら。 風力タービンの除氷にハイブリッド SHS コーティングと電気加熱を使用することを実証しました 39。 彼らは、前縁を SHS コーティングと電気ヒーターでコーティングするだけでタービンブレード全体を除氷した場合、大幅なエネルギー節約 (90%) を示しました。 他の多くの研究では、SHS とアクティブ暖房を組み合わせたハイブリッド氷緩和が実証されています40、41、42、43。 ハイブリッド除氷法では、潤滑剤注入を使用することもできます。 ジャミルら。 は、自然光吸収体としてキャンドルのすすのコーティングにシリコン潤滑剤を使用しました44。 彼らの研究では、導電性酸化鉄ナノ粒子が熱放散剤として機能し、最終的には氷の界面を溶かしました。 しかし、以前のハイブリッド除氷アプローチには解決できない問題が残っています。 疎水性コーティングは液体の水のみをはじくため、この戦略を効果的にするには氷を溶かす必要があります。 そのため、これらの研究におけるエネルギー消費は、純粋に能動的な除氷法と比較して削減されましたが、必要なエネルギーは依然として相当なものであり、氷結界面のサイズに応じて増加することになります。 溶けた氷の潜熱（334 J/g）が氷の比熱容量（2.09 J/g °C）の約 160 倍であることを考慮すると、溶けを回避できるハイブリッド除氷システムは、エネルギー効率に大きなメリットをもたらすでしょう。

氷に対して低い界面靱性（LIT）を示す材料は、氷と表面、特に大きな（> cm）氷の界面の間の接着を軽減する方法におけるパラダイムシフトを表しています45、46。 LIT 材料は、氷と表面の間の界面亀裂を伝播するのに必要なひずみエネルギーを最小限に抑え、サイズに依存しない除氷を可能にします。つまり、氷の界面のサイズに関係なく、氷の除去には一定の力を必要とします。 これまでに、ポリプロピレン、PTFE、超高分子ポリエチレン (UHMW-PE) などのポリマー 46 やアルミニウムベースの準結晶コーティング 45 など、さまざまな LIT 材料が報告されています。 ゼンら。 は、多孔性が増加するにつれて界面靱性と疎水性が低下する多孔質 PDMS で構成される LIT コーティングを導入しました 47。 ディアニら。 は、太陽光発電用途向けの透明な LIT PDMS およびポリ塩化ビニル (PVC) コーティングを製造し、同時に低い界面靭性と氷付着強度の両方を実証しました 48。 ユウら。 は、PTFE 粒子集合体をベースにした堅牢な LIT コーティングを作製しました。このコーティングでは、氷結と除氷のサイクルを繰り返した後でも界面の靭性が維持されていました 49。 しかし、これまでの LIT 材料は、受動的な除氷コーティングとしてのみ使用されてきました。

この研究では、UHMW-PE をベースにしたハイブリッド LIT 除氷コーティングを開発します。 これまでのハイブリッド除氷技術はすべて、エネルギーを大量に消費する氷の融解を必要としていましたが、LIT 材料を組み込むことで、融解ステップを回避する機械的な除氷が可能になります。 LIT コーティングと氷の両方の機械的特性によって、接着界面の靭性と強度が決まります。 したがって、氷付着強度および界面靱性に対する弾性率の影響は、まず、LIT 材料と氷の両方について、さまざまな温度 (-5 °C ～ -60 °C) で測定されます。 次に、小型プリント基板の抵抗ヒーターを使用して、界面靱性に対する熱負荷の影響を研究します。 いくつかの長さの氷を使用した包括的な研究が実行され、表面温度を-5 °Cまで上昇させるのに必要な電圧が最適化されました。この温度では、氷との界面靭性が最も低くなりました。 最適な電圧を印加することにより、供給された熱がコーティングの氷との界面靭性に及ぼす影響を調べます。 コーティングは、マイクロ波共振器センサーを組み込むことでさらに「スマート」になり、センサーが表面の除氷を検出するとアクティブなシステムを即座に停止できるオンデマンドの除氷が可能になります。 マイクロ波センサーはスプリットリング共振器と伝送線路で構成され、以前に実証されたように、水と氷の間の誘電特性の大きな違いを利用して動作します50、51、52。 最適な電圧を印加すると、氷の有無に対するセンサーの反応も記録されます。

アクティブ除氷システムを使用して温度を変更する前に、まず氷と LIT コーティングの機械的特性を調査して、直接的または間接的に (弾性率の変化などにより) 温度によってどのような影響を受けるかを理解しました。 界面の靭性と氷の付着強度は両方とも、コーティングと氷の機械的特性に依存します。 多結晶氷の動的弾性率に対する温度の影響は、以下のように以前に測定されています53。

ここで、E は氷の弾性率 (GPa)、T は温度 (°C) です。 この式に基づくと、温度が -40 °C から -5 °C に上昇するにつれて、氷の弾性率は約 5% 減少します。 コーティングの弾性率は、動的機械分析 (方法) を使用して調査されました。 損失弾性率は25℃から-60℃の間で統計的に一定でしたが（図1a）、温度が-5℃から-40℃に低下すると貯蔵弾性率は22％増加しました。 したがって、氷もコーティングの機械的特性も、ここで調査した温度範囲にわたって実質的に変化せず、観察された以下で説明する界面靱性および氷付着強度の値に大きな影響を与えなかった。

a 25 °C ～ -60 °C における UHMW-PE の貯蔵弾性率 (G') と損失弾性率 (G'')。 b -40 °C から -5 °C までの氷-UHMW-PE 界面の靭性 (Γ)。 c -40 °C から -5 °C までの UHMW-PE の氷付着強度 (τice)。 強度と靭性の値は、前述したように、氷の長さと除去力のプロット (方法) の線形領域とプラトー領域から取得されました 46。 完全なデータセットは補足図S1にあります。 エラーバーは 1 つの標準偏差 (SD) および N > 4 を表します。ソース データはソース データ ファイル 67 として提供されます。

界面靭性と氷付着強度は明らかに温度の影響を受けました（図1b、c）。 補足図S1に見られるように、大規模な氷を除去するのに必要な漸近力は、-5℃でのFc = 145 N/cmから-30℃でのFc = 237 N/cmに増加しました。 これは、同じ温度範囲で氷との界面靱性が Γ = 2.2 ± 0.5 J/m2 から Γ = 5.6 ± 1.2 J/m2 に増加することに対応します。 ただし、-40 °C では、部分的な界面破壊後に氷の一部が表面に残る凝集剥離が観察されました。 臨界氷除去力は 207 N/cm に減少しましたが (スチューデントの t 検定に基づく、-30 °C および -20 °C とは統計的に異なります)、凝集破壊により、これは真の界面特性ではなくなりました。 上で議論したように、ここで調査した低温では、氷は最大でも 5% 硬くなります。 これにより界面靱性が低下するはずですが、-30 ℃では -5 ℃よりも 2.2 倍大きくなりました。 氷の付着強度も同様に1.8倍でした（図1b、c）。 したがって、界面強度と靱性の増加は、界面の機械的性質の変化による間接的な効果として説明することはできません。 むしろ、少なくともここで調査した UHMW-PE/氷界面では、両方の特性が温度の低下とともに増加するようです。 この増加は、いくつかのグループによって以前に報告されていますが、氷の付着強度についてのみでした54、55、56、57、58、59。

氷/LITコーティングの熱特性がよく特徴付けられているため、プリント回路基板（PCB）ヒーターを使用してアクティブな除氷が研究されました（補足図S2）。 最初に、ヒーターは10 Vで動作し、LITコーティングされたヒーターの上の20 mmの長さの氷の部分（ヒーターのサイズに等しい、補足図S3aを参照）が溶けました。 この部分的に溶けた氷を取り除こうとすると、凝集破壊と氷の粉砕が発生しました（補足図S2b）。 したがって、ヒーターの真上に付着した氷を完全に溶かすことは、実際には凝集破壊を引き起こし、LIT コーティングの性能に悪影響を及ぼします。

上記の結果を考慮して、ヒーター上の界面温度を上昇させながら、温度を 0 °C 未満に保つように動作電圧が最適化されました。 ペルチェステージはシステム全体の温度を T = −25 °C に保ち、PCB ヒーターを使用して長さ 150 mm の氷と UHMW-PE の間の界面の温度を上昇させました (図 2)。 効率的な熱制御のために電圧を最適化するために、最初に 0.5 V をヒーターに供給し、ヒーターをオンにして 30 秒後に目的の表面温度に達するまで、0.5 V ずつ徐々に増加させました。 氷と界面の温度の変化を監視するために 3 つの温度プローブが設置されました (補足図 S3)。 最初のプローブは、ヒーター/LIT コーティング (TH) の表面の温度を測定しました。 他の2つの温度プローブは両方とも、ヒーターの真上または長さ方向に沿って5cm離れた場所で、LITコーティング（Tice）に付着した氷の内部の温度を測定しました（図2a）。

a ヒーターの真上、長さ方向に沿って 50 mm 離れた場所での PCB ヒーター電圧の関数としての氷の温度 Tice。 ヒーター上の界面の温度 (TH)、および低界面靭性 (LIT) 材料とヒーター (Tice) 上の氷の温度を、さまざまな長さの氷 (b 150 mm、c 60 mm、d 20) について監視しました。んん。 TH = Tice = −5 °C の目標温度は、3 つの氷の長さすべてで 4.4 V で 30 秒後に到達しました。 ソースデータはソースデータファイル67として提供されます。

加熱が局所的であることを確認するために、まずヒーターの真上と 5 cm 離れたところの Tice を比較しました (図 2a)。 ヒーターから 50 mm 離れた温度は、テストしたすべての入力電圧で比較的一定のままで、4.4 V を使用すると最大 4 °C 上昇しました。ヒーターの真上の温度は、電圧が 1.5 V を超えると増加し、4.4 V で所望の温度 -5 に到達しました。加熱後 30 秒以内に °C に達します。 150 × 10 × 5 mm の氷片の場合、30 秒間で 4.4 V を印加すると、Tice と TH の両方が -25 °C から -5 °C に上昇しました（図 2a、b）。 Tice と TH の変化率は、それぞれ 5.0 ± 0.2 °C/V と 4.9 ± 0.2 °C/V で統計的に同等でした。 氷の長さを 150 mm から 20 または 60 mm に減らしても、これらの結果には影響しませんでした (図 2c、d)。したがって、この作業の残りの部分では 4.4 V が除氷電圧として使用されました。

コーティングの氷との界面靱性 Γ は温度に依存し (図 1b)、PCB ヒーターを使用して界面の温度を制御できます (図 2)。 そこで、上記で最適化した 4.4 V を使用して、ヒーターが界面靱性を低下させることができるかどうかを調査しました。 氷の除去に必要な幅あたりの力 Fice は、4.4 V で動作するヒーターを使用して、靭性制御された破壊領域内で 50 mm を超える氷の長さで測定されました (補足図 S1 を参照)。 2 つの実験が実行されました。1 つは T = −20 °C でヒーターを TH = −5 °C に設定し、もう 1 つは T = −30 °C および TH = −10 °C で実行しました。 どちらの実験でも、Fice 値は、システム全体が T ではなく TH に保持されたときに記録された値とより密接に一致しました (図 3a、b)。 たとえば、氷の界面の長さが150 mmの場合、-20°CでFice = 290±50 N/cm、-5°CでFice = 172±15 N/cmです（補足図S1）。 T = −20 °C でヒーターが TH = −5 °C に設定されている場合、除氷力は Fice = 157 ± 30 N/cm で、統計的には T = −5 °C の値と等価です。 同様の結果が、他の長さの氷でも、また T = -30 °C および TH = -10 °C を使用した場合にも観察されました（図 3b）。 したがって、PCB ヒーターは除氷力を調整し、界面靭性を Γ = 4.8 J/m2 から 1.3 J/m2 に、また Γ = 5.7 J/m2 から 0.9 J/m2 に減少させることができました (図 3c)。実験はそれぞれ図3a、bに示されています。 したがって、このアクティブ除氷システムは、オンデマンドで高靭性界面を LIT 界面に変える機能を備えており、融解することなく大規模な氷の除去を容易にします。

a T = −20 °C が TH = −5 °C に上昇しました。 b T = -30 °C が TH = -10 °C に増加しました。 c PCB ヒーターを使用して温度を T から TH まで局所的に上昇させることにより、界面靱性を効果的に低減します。 T はシステム全体の温度、TH はヒーター/LIT コーティングの表面の温度です。 エラーバーは 1 SD を示し、ここでは N ≥ 5 です。ソース データはソース データ ファイル 67 として提供されます。

靱性媒介破壊はエネルギー放出プロセスであるため、温度の上昇により界面での破壊伝播に必要なエネルギー放出が局所的に補償された可能性があります。 この温度差が大きくなると、破壊を伝播させるために必要な外部負荷が小さくなります。 これは、図 3 の結果とよく一致しており、PCB ヒーターを使用してより大きな熱シフトが開始されると、界面靱性がさらに低下しました。 靭性媒介界面破壊の場合、 \({F}_{{ice}}=\sqrt{\Gamma E{H}_{{{{{\rm{ice}}}}}}} であることを思い出してください。 \)、Hice は Ice60 の厚さです。 ヒーターを使用して界面温度を局所的に T = –30 °C から TH = –10 °C まで上昇させ、Hice = 5 ～ 20 mm の氷の厚さに対する除氷力を測定しました（図 4a）。 ここでは、靭性制御された破壊領域内に十分に収まる、シラミの代表的な氷の長さ = 105 mm が使用されました（補足図 S1）。 氷の厚さと測定された除氷力の間の平方根依存性は維持されました（図4b）。これは、たとえ界面の温度が不均一であっても、PCBヒーターを使用したときに破壊のメカニズムが実質的に変化しなかったことを示しています。 熱画像により、この不均一性の追加の証拠が得られ（図4a）、加熱が局所的であること（図2a）、ヒーターに隣接していない氷の温度がより低い周囲温度を維持していることがさらに裏付けられました。

a 氷の厚さに関係なく、局所的な TH (ヒーター/LIT コーティングの表面の温度) が達成されたことを示す赤外線画像。 スケールバーはすべて 25 mm です。 b 氷の厚さに対する除氷力の平方根依存性。 c システム温度 T = −30 °C で、さまざまな長さの氷の除氷時間を測定しました。 LIT 材料の除氷力は次のパーセンテージの関数として表されます。 d 氷の長さに対するヒーターの長さ (LH/Lice)、および e ヒーターの全長に対するヒーター上の氷の長さ (LIC/LH) ）。 エラーバーは 1 SD を示し、ここでは N ≥ 5 です。ソース データはソース データ ファイル 67 として提供されます。

LIT 特性を改善するために界面全体を加熱する必要がないことを考えると、重要な設計パラメーターは、必要なヒーターの数とそのサイズ、および界面に沿った間隔です。 私たちは、さまざまな氷の長さシラミの界面靭性を低下させるためにどのくらいのヒーター長さ LH が必要かを調査しました。 再び 4.4 V を 30 秒間かけて印加し、氷を取り除くのに必要な力を T = -30 °C で記録しました。 ヒーター上の氷の部分（LH/シラミ）が減少するにつれて、必要な除氷力が増加しました（図4d）。 ただし、これは LH/シラミ ≤ 10% の場合に最も顕著であり、これを超えると Fice の減少は最小限でした。 したがって、効果的な除氷には、全界面面積のわずか 10% を占めるヒーターで十分です。 予想通り、ヒーター上の氷の長さがヒーターのサイズと等しい場合（LIC / LH = 100％）、除氷力の最大の減少が観察されました（図4e）。 ただし、電力消費を最小限に抑えるには、より小型のヒーターが望ましいでしょう。 覆われているヒーターの割合が 25% に減少した場合、測定された氷剥離力の統計的に有意ではない増加が観察されました。 したがって、小さなヒーターをまばらに配置しても、消費電力を最小限に抑えながら良好な LIT 特性が得られます。 私たちの実験室の条件では、電力消費を最小限に抑えながら除氷を最大限にするには、長さ 15 mm のヒーターを 135 mm ごとに取り付けるのが最適でした。

界面温度を調節するために必要な熱流束は、Q = U2R−1tD になります。ここで、Q はヒーターの電力消費量、U は供給電圧、R はヒーターの電気抵抗、tD は除氷時間です8。 61、62。 除氷実験では、動作電圧 (U = 4.4 V) とヒーター抵抗 (R = 5.9 Ω) は一定であり、Q = 3.28 tD となりました。 氷の各長さの tD を測定し、統計分析（t 検定）したところ、50 mm から 150 mm までの界面長では、除氷時間は一定のままであることが明らかになりました（図 4c）。 これらの結果は、発生した熱が局所的であり、ヒーターの直上の氷の温度を上昇させただけであることをさらに裏付けています。 記録された平均除氷時間 (88 ± 9 秒) によると、消費された電気エネルギーは 289 J と測定されました。界面を破壊するのに必要な追加の機械力 (ΓA ≈ 1 mJ) は低く、自然に発生するものであることに注意してください。風、抗力、向心加速度などの環境力 (風力タービンの場合)。

面電力密度は、除氷システムの有効性を比較するために一般的に使用される指標です。 以前に報告された航空機除氷システムでは、氷のない表面を達成するには 10 ～ 25 kW/m2 が必要で、氷がついた領域全体をヒーターで覆っていました 63,64,65。 当社が設計した除氷システムでは、ヒーターは表面の 10% のみをカバーするため、消費電力が 1 桁減少します。 さらに、ヒーターの抵抗率は、R = l/σa (σ = 5.8 × 108 S/cm、l = 2.5 m、および a = 1.08 × 10−8 m2) のように、基板上の印刷銅の長さに応じて増加します。 4.4 V の除氷電源電圧を使用すると、ヒーターの電力密度は W = U2R−1A−1 = 2 kW/m2 (A はヒーターでカバーされる面積) になります。 したがって、ヒーターは総面積のわずか 10% をカバーするだけでなく、抵抗率が 10 分の 1 低くなり、結果として、表面を完全にカバーする同じヒーターよりも出力密度が 100 倍高いヒーターが得られます。 ただし、当社のヒーターは界面の 10% を氷点下の温度まで上昇させるため、これは全体の効率向上では依然として過小評価です。これでは、表面を少なくとも 0 ° にする必要があるため、ヒーターを完全にカバーしても氷は解けません。 C、通常はそれよりはるかに高い63、64、65。

当社が設計したハイブリッド除氷システムが実際の使用に耐えられるようにするには、そのパフォーマンスが一貫しており、耐久性があり、拡張可能である必要があります。 一貫性の観点から、システムは 43 回の繰り返しの着氷/除氷サイクルにさらされました。 最初に、ヒーターが局所的に界面温度を-20℃から-5℃に上昇させながら、靭性領域（L>Lc）内のさまざまな氷の長さに対する氷の剥離力を測定しました（図5a）。 この最初のセットの臨界剥離力は 131 ± 21 N で、これは氷との界面靭性 Γ = 1.5 ± 0.4 J/m2 に相当します。 次に、150 mm の長さの氷を使用して追加の着氷/除氷サイクルを実行し、その後、最初の特性評価を繰り返しました。 これら 43 回の着氷/除氷サイクルの後、平均除氷力は統計的に初期値と同等でした (p 値: 0.22)。 表面粗さにも影響はありませんでした（図S4）。これは、着氷と除氷のプロセスが表面に損傷を与えなかったことを示しています。

a 氷の長さ L が 60 ～ 150 mm (L > Lc) の周期的な着氷/除氷テスト。 Lc は氷の臨界長さです。 幅当たりの除氷力 (Fice) の値は、着氷/除氷サイクルの前後で統計的に同等です (p 値: 0.22)。 b 機械的磨耗、化学的汚染、および 3 週間の屋外暴露後にさまざまな長さの氷を除去するのに必要な除氷力または界面靭性 (Γ)。 最小値と最大値は、それぞれ最低ヒゲと最高ヒゲとして表示されます。 ボックスには、第 1 四分位、平均、および第 3 四分位が、金額が低いものから高いものへと表示されます。 c マルチヒーターハイブリッド除氷システムの除氷力、最大長さ 920 mm。 挿入図は、降着表面と除氷表面を示しています。 d 長さ 500 mm、幅 2 cm の氷の下での界面亀裂の伝播と接着破壊を描いた映画静止画。 a ～ d のすべてのテストは、幅 2.54 cm のヒーターを使用して温度を局所的に -20 °C から -5 °C に上昇させて実施されました。 エラーバーは 1 SD を示し、ここでは N ≥ 5 です。ソース データはソース データ ファイル 67 として提供されます。

靭性制御された破壊領域におけるさまざまな氷の長さに対する除氷力も、機械的摩耗、化学的汚染、および3週間の屋外暴露後に記録されました（図5b、完全なデータセットについては図S5を参照）。 UHMW-PE コーティングは、屋外暴露と表面汚染の両方に対して低い氷剥離力を維持し (p 値 > 0.22)、ハイブリッド除氷システムの環境耐久性を実証しました。 激しい摩耗のみが、統計的に有意に除氷力を増加させました（p値：0.002;図5b）。 これは、LIT 材料の粗さが Sq = 1.55 μm から 3.39 μm に増加したためであり、これは統計的に有意でした (図 S4)。 界面靱性は単位表面積あたりのひずみエネルギーを表すため、粗さに応じて靱性が適度に増加することが期待されました。 ただし、摩耗した UHMW-PE の局所界面温度を調節するためにヒーターを使用したときに観察された界面靱性の増加 (3.4 ± 0.9 J/m2) は、ヒーターを使用しない摩耗していない UHMW-PE フィルムの増加よりも大幅に小さかったことに注意してください。 (6.1 ± 1.2 J/m2、図 3c を参照)。 したがって、ハイブリッド除氷システムは、所定の一連の環境条件に対して必要な靭性値を達成するためにヒーターを使用することによって、あらゆる機械的損傷を補償することができます。

LIT 材料を使用した除氷の利点の 1 つは、長い氷に対して除氷力が一定であるため、その拡張性です。 ハイブリッド除氷戦略も拡張可能であるかどうかを判断するために、長さ 1 メートルのより大規模なシステムを製作し、表面積の 10% のみが加熱されるように定期的に間隔をあけて配置された複数のヒーターを使用しました (結果と一致しています)図4d、e)より。 次に、セットアップ全体を-20°Cに保たれたウォークイン冷凍庫内に置き、幅2cmの氷を使用して氷冷しました（図S6）。 除氷力は、ヒーターが局所界面温度を TH = −5 °C に調整したときに、長さ 920 mm の氷について測定されました。 図 5c は、総氷面積の 10% のみの下にヒーターを備えたハイブリッド除氷システムの氷の長さの関数としての除氷力を示しています。 大規模な氷を取り除くのに必要な除氷力は、小規模なテストで観察された値と統計的に同等であり (p 値: 0.08)、開発されたシステムの拡張性が確認されました。 界面剥離中のLIT材料と氷の間の光の散乱により、亀裂の伝播をリアルタイムで監視することもできました（図5d）。 約 6 秒後、界面内に蓄積されたひずみエネルギーが解放され、表面はきれいに除氷され、付着した残留物は残りませんでした。

効率的なハイブリッド LIT 除氷システムの設計におけるもう 1 つの考慮事項は、ヒーターの必要な使用時間を決定することです。 「スマート」システムは、ヒーターのスイッチをいつオンまたはオフにするかを示す環境情報を提供できる氷センサーを追加することによって構想できます。 スマート LIT 除氷システムは、Kozak らによって以前に報告された研究に基づいて、埋め込みマイクロ波センサー (方法) を使用して実現されました。 このセンサーは、氷または水の存在下での共振振幅および/または周波数の変化を検出することによって動作し、最初に有限要素法シミュレーションを使用して最適化されました（補足図S7）。 計算上最適化され、実験的に製造された後、センサーの応答に対する LIT コーティングの影響が調査されました。 図6aに示すように、センサー上にUHMW-PEを堆積した後、共振周波数は97 MHz下方にシフトし、共振振幅は1.18 dB変化し、その結果、1.908 GHzおよび-14.73 dBに共振ピークが生じました。 LIT材料の誘電率は2 GHzで約2であり（補足図S8）、損失係数が小さいため、センサーの応答のこの変化は予想され、共振振幅の変化を最小限に抑えながら共振周波数の変化を引き起こしました。

a スプリット リング共振器 (SRR) を覆う LIT 材料がある場合とない場合のセンサーの S21 スペクトル応答。 S21 はポート 1 からポート 2 への伝送電力です (図 7 を参照)。 b スマート ハイブリッド LIT 除氷システムの水、付着した氷、剥離した氷、および裸のセンサーに対するセンサーの応答。 c 記録された共振振幅と d 共振周波数対時間。水がセンサーを覆う LIT コーティングに凍結し、表面が T から TH まで局所的に加熱され、せん断力によって TH の氷が剥離し、その後システムが解凍される様子を示しています。 T はシステム全体の温度、TH はヒーター/LIT コーティングの表面の温度です。 ソースデータはソースデータファイル67として提供されます。

最適化されたセンサーを使用して、共振周波数などのセンサーの電気的特性の変化を通じて、着氷および除氷プロセス全体を正常に監視することができました（図6b）。 最初に、センサーは、共振プロファイルの完全な消失を通じて、3D プリントされた氷の型にピペットで注入された未凍結の水を検出しました (図 6c、d)。 この検出は、水の高い誘電率 (90) と損失係数 (0.3) により可能になりました。 水が凍結すると、水に比べて氷の誘電特性（誘電率 3.2、損失係数 0.001）がはるかに小さいため、共振プロファイルが回復しました。 センサー上で水が凍結すると、共振周波数で 0.138 GHz、共振振幅で -2.76 dB のベースライン (裸のセンサー) からのシフトが観察されました。 次に、所望の厚さの氷を得るために水を追加すると、センサー環境の実効誘電率が変化し、共振周波数がさらに 0.034 GHz 低下し、共振振幅が​​ -4.26 dB シフトしました。 この 2 段階の氷の形成は、センサーの測定された応答で観察でき (図 6b-c)、センサーが水と氷の混合物 (沈殿物の一般的な形態) を含む複雑な氷の組成を検出できることを示しています。

変化しない共振プロファイルによって確認されるように、コーティングされたセンサー上で水が完全に凍結した後、ヒーターを作動させて (再び 4.4 V で 30 秒間)、局所温度 TH = −5 °C を得ました。 当社の着氷セットアップは水平構成であるため (「方法」を参照)、界面破壊後でも、剥離した氷は付着せずに表面に留まり、UHMW-PE と UHMW-PE の固有の粗さにより、氷と LIT コーティングの間に小さな隙間が残ります。不完全な破面。 センサーの測定共振振幅 (-10.61 dB から -14.43 dB) と周波数 (1.734 GHz から 1.872 GHz) の突然の変化によって証明されるように、付着した氷と付着していない氷の違いも検出可能でした。 より現実的な除氷シナリオでは、重力、ウィンドシア、抗力などの環境力によって表面から氷が完全に除去され、センサーがベースラインプロファイルに戻るため、さらに正確な検出が可能になります。 最後に、システムが解凍され、センサーの共振プロファイルが消え始め、表面に液体の水が存在することが示されました (図 6c、d)。 裸の共振器、水、氷、および剥離した氷のスペクトルはすべて明確で区別可能でした。 全体として、スマートハイブリッド LIT システムは、LIT コーティングの下にマイクロ波センサーが埋​​め込まれている場合でも、氷の形成と除氷をリアルタイムで監視および検出できました。つまり、沈殿物との直接接触が必要ない非接触検出です。

除氷システムのエネルギー効率は用途や環境条件によって大きく異なりますが、ここでは当社のスマート ハイブリッド LIT 除氷システムは 4 つの相乗的な方法でエネルギー消費を削減します。 まず、LIT 材料の使用により機械的な除氷が可能になり、最大のエネルギー投入を必要とする除氷ステップ、つまり固体の氷から液体の水への相変化が不要になります。 第 2 に、LIT 材料のメカニズムにより、当社の抵抗ヒーターを表面にまばらに配置することができ、効果を発揮するために必要な面積は総面積の約 10% だけです。 第三に、ヒーターの構築に使用されている蛇行状の銅は、現在の加熱システムに比べて抵抗が桁違いに改善されており、より低い印加電圧でのより迅速な除氷につながります。 そして最後に、氷センサーの搭載により、氷が実際に表面に付着した場合にのみスマート システムを作動させることができ、除氷直後にシステムをオフにすることもできます。

この研究では、LIT コーティングを利用したハイブリッド除氷システムを調査しました。このシステムでは、温度調節により、界面を溶かすことなく除氷性能が大幅に向上しました。 氷と UHMW-PE の間の界面靱性は、-5 °C よりも -30 °C の方が 2.2 倍大きいことがわかりました。 したがって、抵抗ヒーターは LIT 材料の下に定期的にパターン化され、局所的に温度をより暖かく、それでも氷点下の値まで上昇させるように最適化されました。 氷の全長のわずか 10% の下にあるヒーターは、表面の 90% が加熱されていなくても、あたかも表面全体がこの温度に保たれているかのように、界面靭性を低下させる効果がありました。 ハイブリッド LIT 除氷システムも、マイクロ波共振器センサーの追加によりスマートになりました。 センサーは、共振周波数における氷と水の誘電特性の大きな違いを利用して、それぞれ 2.005 GHz、-12.95 dB、および 205 の共振周波数、共振振幅、品質係数で動作しました。 LIT 材料の下に埋め込まれたこの平面の非接触デバイスは、氷の形成と除去をリアルタイムで監視および検出できました。 航空機の着氷による致命的な影響と、風力発電などの再生可能エネルギーへの強い推進を考慮すると、当社のスマートハイブリッドLIT除氷システムは、特にエネルギー効率、拡張性、耐久性を考慮すると、世界中の複数の氷が発生しやすい分野ですぐに使用される可能性があります。

LIT フィルムは、粘着性の裏地が付いた厚さ 0.127 mm の超高分子量ポリエチレン (UHMW-PE) であり (McMaster Carr、カタログ番号 1441T11)、受け取ったまま使用しました。 平面マイクロ波センサーと PCB 抵抗ヒーターは、誘電率 2.2、損失正接 0.0009、誘電体の厚さ 0.79 mm、銅クラッドの厚さ 35 μm の Rogers RT/Duroid® 5880 ラミネート上に製造されました (Rogers Corporation, Ltd.) 。

UHMW-PE の貯蔵弾性率と損失弾性率は、動的機械分析装置 (TA Instruments) を使用し、適用周波数 1 Hz、-60 °C から +30 °C までの温度スイープを使用して測定されました。 機器が自動ひずみ調整モードに設定されていたため、温度掃引中にひずみは一定ではありませんでした。 ただし、測定されたひずみの変化は無視できる程度 (0.05% ～ 0.03%) であり、線形粘弾性範囲内でした。

ヒーターを使用しない実験では、UHMW-PE フィルムを、接着剤の裏地を使用して厚さ 0.254 mm のアルミニウム (Al) シート (McMaster Carr、カタログ番号 9708K58) に均一に接着しました。 ヒーターを使用した実験では、UHMW-PE フィルムを作製したデバイス (熱とセンサー) に直接接着し、再び接着剤の裏地を使用しました。 Al またはヒーター/センサー上の UHMW-PE 表面のトポグラフィーは、LEXT™ OLS5100 3D レーザー走査顕微鏡を使用して測定されました (補足図 S9)。

LIT 表面の除氷に必要な力は、他の場所で説明されているカスタムプッシュオフ法を使用して測定されました46。 3D プリントしたさまざまな長さのポリ乳酸 (PLA) 型を使用して、UHMW-PE フィルムの表面に角氷を形成しました (氷 = 5 ～ 200 mm)。 まず、型に室温で脱イオン水を満たしました。 次に、ペルチェ ステージを使用して表面の温度を目標温度まで下げ、水が完全に凍結するのに十分な時間を置きます (最低 1 時間)。 凍結したら、電動リニアステージを備えた移動プローブをフォースゲージ (NEXTECH、DFS500) に接続しました。 断面5mm×10mmのフォースゲージプローブを100μm/sの一定速度で氷の型に衝突させ、剥離力を0.1Nの精度で測定した。 氷の付着力の測定は、さまざまな温度 (-40 °C ～ -5 °C) で実施されました。 氷とコーティングの表面の温度は、BK Precision 725 熱電対を使用して ±0.7 °C の精度で監視されました。 各測定後、Kim ワイプ (KimTech) を使用してイソプロピル アルコール (VWR International) でコーティングを洗浄しました。

氷の付着強度 (τice) と氷との界面靱性 (Γ) は、表面と氷の間の界面を完全に特徴付けるために測定される重要なパラメーターです46。 強度制御された破壊領域では、氷を取り除く力 (Fice) を使用して、界面面積 A、または τice = Fice/A を使用して τice を測定します。 より長い界面で発生する靭性制御された破壊領域では、この力はある臨界値 Fc で頭打ちになります。 測定された Fc 値、氷の係数 E、および氷の厚さ Hice を使用して、氷とコーティングの界面の靭性を \(F_{c}=\sqrt{\Gamma E{H}_{ {{{{{\rm{ice}}}}}}}}\)46. 破壊が強度媒介破壊から靱性媒介破壊に移行する界面長は、一般に臨界長さ Lc と呼ばれます。 これらのパラメータはすべて、温度に直接依存することもあれば、温度に依存する材料特性に間接的に依存することもあります。 したがって、UHMW-PEと氷との氷接着強度と界面靭性は、-5℃から-40℃で、5から200mmの氷の長さを使用して測定されました（補足図S1、S3）。

Fice 対長さの測定値からの Lc、τice、Γ の計算は次の方法で計算されました。 強度および靱性領域の初期推定は、強度データがほぼ線形で、靱性データがほぼ一定になるように視覚的に選択されました。 Lc に近い氷の長さが靭性領域または強度領域内にあるかどうかを判断するために、問題の氷の長さの Fice 値と現在の Fc 母集団の間でスチューデントの t 検定が実行されました (氷の長さのすべての Fice 値はより大きい)検討されているものより）。 2 つの母集団が統計的に類似している場合 (p 値 > 0.05)、データポイントは靭性領域に含まれ、次に短い氷の長さの Fice 値が考慮されました。 この手順は、強度制御領域の最も長い氷片の Fice 値が靭性制御領域の最も短い氷の Fice 値と統計的に異なる (p 値 < 0.05) まで繰り返されました。 次に、接着強度は、強度領域における最良の線形適合の傾きから決定されました。 界面靱性は \({\Gamma={F}_{c}}^{2}/(E{H}_{{{{{\rm{ice}}}}}})\ を使用して計算されました）46． 次に、Lc はこれら 2 つの直線の交点によって決定されました。 一部の実験では、より長い氷に対する Fice の測定が Γ を直接測定する代わりに機能し、そのような場合には Fice = Fc と仮定することに注意してください。

平面マイクロストリップ センサーは銅配線で構成されており、その構造がその幾何学形状と形状に従って共振し、ガウス周波数応答を生成します。 応答の振幅が最大になる周波数は共振周波数と呼ばれます。 マイクロ波共振器センサーは、共振周波数と振幅を使用して表面上の氷と水の有無を検出するように設計および特性化されました。 水と氷の誘電特性には大きな違いがあるため、最近では、平面マイクロストリップ共振器を介した高感度で正確な水、霜、氷の検出が可能になりました51。 マイクロ波スプリット リング共振器 (SRR) センサーは、Ansys 高周波構造シミュレーター (HFSS、図 7 を参照) で設計されました。 センサーは 2 GHz の共振周波数で動作します。この周波数は、水と氷の誘電特性の違いにより選択されました。 さらに、センシング構造は、鋭い帯域通過応答を示すように最適化されました。 マイクロストリップラインの共振周波数は、式(1)を使用して計算されるSRRの長さによって決まります。 (2):

ここで、c は光の速度 (\(3\times {10}^{11}\) mm/s)、\({f}_{{res}}\) は共振周波数 (2 GHz)、 \({\varepsilon }_{r}=2.2\) はマイクロストリップ ラインの比誘電率です。 2 GHz での SRR の計算上の長さは 50.7 mm でした。 ただし、給電線、SRR、およびスプリットリングギャップ間の静電容量が共振周波数に影響するため、所望の共振周波数を達成するために、HFSSでは共振器の長さが61.6 mmに最適化されました（図S7を参照）。 最終的なセンサー設計の寸法を図 7 に示します。

高周波構造シミュレーター (HFSS) でモデル化されたスプリット リング共振器 (SRR) センサーと抵抗ヒーター。 b 作製した SRR センサーと抵抗ヒーターの光学画像。

PCB ヒーターは、必要な量の熱を出力するように選択された抵抗を備えた、狭い限られたスペースに配置された単純な銅の配線です。 アクティブな除氷機能を提供するために、抵抗 5.9 Ω の抵抗ヒーターが基板上にさらにパターン化されました。 ヒーターはセンサーの感知領域から 3 cm と 12 cm の距離に配置されました (図 7)。 センサーとヒーターは、標準的な PCB 製造方法に従って製造されました66。

センサーの応答は、Keysight Technologies N9918A ベクトル ネットワーク アナライザー (VNA、図 8 を参照) で監視されました。 VNA は、広範囲の周波数にわたってマイクロ波センサーの S パラメーターを測定します。 裸の LIT 材料での氷付着試験と同様に、LIT 材料の表面上の 3D プリントされた型に脱イオン水を注ぎ、-25 °C で凍結させました (図 2)。 ヒーターの真上で凍った氷の温度も、氷内に配置された熱電対を使用して測定されました。 これを行うには、型に水を半分入れ、熱電対を挿入し、水を凍結させました。 熱電対が凍った氷の中に固定され、温度が安定したら、ヒーターを作動させて、ヒーター周囲の表面温度を局所的に -25 °C から -5 °C に上昇させました。 上記の試験手順と同様に、ヒーターを作動させ、センサーで氷を検出しながら除氷性能を測定しました。 この作業では、ヒーターが表面温度を目標温度 (-5 °C または -10 °C) まで上昇させるのに必要な時間として、除氷時間 (tD) を定義します。 ただし、外部から機械的負荷を加えずに、温度を -5 °C に上昇させるだけでは表面の氷は解けないことに注意してください。 目標温度に達したら、力ゲージのプローブを金型内の付着した氷に衝突させ、剥離力を測定しました。 ヒーターから 0.5 mm 上の氷の温度も、実験全体を通じて -25 °C と測定され、加熱が実際に表面に局所的に集中していることが確認されました。 正しい動作電圧を見つけている間、フォースプローブは作動せず、氷で満たされた金型はそのまま残されました。

実験セットアップは、ベクトル ネットワーク アナライザー、電源、コールド ペルチェ ステージ、温度データ ロガー、プリント基板ヒーター、およびスプリット リング共振器センサーで構成されていました。

LIT コーティングはヒーター パネルの表面に適用され、異なる長さの氷 (60 ～ 150 mm) を使用して着氷/除氷サイクルが実行されました。 除氷力は、精度 0.1 N のフォースゲージを使用して、-20 °C で再度測定されました。氷の長さごとに少なくとも 5 回繰り返しました。 これに続いて、長さ 150 mm の氷を使用して、この同じサンプルに対してさらに 13 回の着氷/除氷サイクルを実行しました。 最後に、60、80、および 100 mm の氷片を 5 回繰り返し、同じ LIT/ヒーター サンプルで合計 43 回の繰り返し測定を行い、周期的に冷却/除氷しました。

ハイブリッド除氷システムは、カナダのオンタリオ州トロントで 3 週間屋外に設置されました。これには、毎日の気温変動と 2022 年 5 月 21 日の 1 回の激しい暴風雨が含まれます。その後、いくつかの長さの氷を使用して除氷力が測定されました。 −20℃。

LIT コーティングは、その表面にアセトンをピペットで滴下し、蒸発させることによって汚染されました (サポート情報、図 S5b を参照)。 次に、さまざまな氷の長さの除氷力を -20 °C で測定し、各長さごとに少なくとも 5 回繰り返しました。

ＬＩＴコーティングは、８００グリットの炭化ケイ素電着サンドペーパー（アリババグループ、中国）を使用して研磨した。 パワーサンダー（RYOBI 1/3 Corded Sheet Sander、中国）を使用して、12,000 rpm で 15 分間、材料を絶えず研磨しました。 LEXT™ OLS5100 3D レーザー走査型顕微鏡を使用して、摩耗前後のコーティングの粗さとトポグラフィーを測定しました (図 S4)。 摩耗後、コーティングの除氷力が-20℃でさまざまな長さの氷に対して測定されました（図S5a）。

ハイブリッド除氷システムの拡張性を評価するために、スケールアップ バージョンが設計されました (サポート情報、図 S6a を参照)。 すべての大規模な除氷テストはウォークイン冷凍庫 (カナダ、トロントの大学保健ネットワークにある Climate Lab、KITE) で実行され、3 日間のテスト中の部屋の平均温度は -18 ± 1 でした。 ℃、相対湿度 75 ± 5%。 上記と同じヒーターの作製方法を使用して、寸法が 24 mm × 80 mm (W × L) の同一のヒーターパネルを 4 枚用意しました。 次に、パネルを木製の支持体に取り付けられたAlシート上に取り付けました（サポート情報、図S6bを参照）。 4 つのパネルの表面は、80 mm x 960 mm の 1 枚の UHMW-PE フィルムでコーティングされました。 各ヒーターは、最適化された電圧に設定された個別の電源に接続されました。 大きな氷​​を形成するために、所定の内寸 920 mm × 20 mm × 20 mm (L × W × H) のシリコーンゴム型を用意し、LIT コーティング上に置きました。 次に、ゴム型を脱イオン水で満たし、完全に凍結するまで放置しました。 完全に凍結したら、ゴム型を取り外し、フォースプローブの先端が氷に直接接触しないように、氷の前端の周りに3Dプリントしたガードを配置しました。 次に、上記と同じ移動ステージと力ゲージを使用して、除氷力を記録しました。 これらのテストは少なくとも 5 回繰り返されました。 氷の長さが 500 mm の場合、除氷プロセスがビデオに記録され、亀裂の伝播前線をリアルタイムで監視できるようになりました (サポート ムービー S1 を参照)。 冷凍庫内のスペースの制限により、長さ 920 mm のより大きな氷の剥離プロセスを記録することはできませんでしたが、結果は視覚的には同様でした。

ソースデータはこの論文に付属しています67。

この論文の訂正が公開されました: https://doi.org/10.1038/s41467-023-36927-w

Wang, Z. 風力発電、高電圧送電線、航空機に使用される超音波除氷技術の最近の進歩。 エネルギービルド。 140、42–49 (2017)。

記事 Google Scholar

Zhang, Y.、Chen, L.、Liu, H. 加熱条件下での複合防氷・防氷コンポーネントの氷付着に関する研究。 上級コンポ。 レット。 29、1–10 (2020)。

記事 Google Scholar

Frankenstein, S. & Tuthill, AM 水門とダムへの氷の付着: 過去の研究。 今後の方向性？ J.Cold Reg. 工学 16、83–96 (2002)。

記事 Google Scholar

Zhu, CX、Wang, Y.、Zhao, N.、Zhu, CL & Liu, CY 翼型電熱除氷システムの性能の数値シミュレーションと実験的検証。 J.中国語研究所工学トランス。 中国研究所工学 A 44、608–617 (2021)。

CAS Google スカラー

Laforte, JL、Allaire, MA & Laflamme, J. 電力線の除氷に関する最先端の技術。 アトモス。 解像度 46、143–158 (1998)。

記事 Google Scholar

Vertuccio, L. 、De Santis , F. 、Pantani, R. 、Lafdi, K. & Guadagno, L. グラフェンベースのフレキシブルヒーターを使用した効果的な皮膚除氷。 コンポ。 パート B 工学 162、600–610 (2019)。

記事 CAS Google Scholar

Almour, B.、Badran, O.、Hassan, MR 航空における落雷と着氷の問題を解決する際の導電性複合材料の使用に関するレビュー。 Ｊ．エアロスプ． テクノロジー。 管理。 11、1–23 (2019)。

Google スカラー

Tönbül, B.、Can, HA、Öztürk, T. & Akyıldız, H. 透明ヒーター用途向けの溶液処理されたアルミニウムドープ ZnO 薄膜。 メーター。 科学。 半導体。 プロセス。 https://doi.org/10.1016/j.mssp.2021.105735 (2021)。

サン、Ｙら。 温度制御され、疎水性および疎氷性の特性を備えた生体模倣多層カーボン ナノチューブ/ポリジメチルシロキサン ナノ複合材料。 ACS アプリケーションナノメーター。 4、10852–10863 (2021)。

記事 CAS Google Scholar

Abbas, S. & Park, CW 表面湿潤性と抵抗加熱特性を備えた炭素繊維強化ポリマー複合材のフロスティングおよびフロスティング評価。 内部。 J. 熱物質移動 169、120883 (2021)。

記事 CAS Google Scholar

Amer, M. & Wang, CC 解凍方法のレビュー。 更新します。 持続する。 エネルギー改訂 73、53–74 (2017)。

記事 Google Scholar

Idris, MK、Qiu, J.、Melenka, GW & Grau, G. 炭素繊維複合材料上への直接電子印刷: 除氷用ヒーターを内蔵した無人航空機 (UAV) の翼。 工学解像度 Express 2、1 ～ 27 (2020)。

記事 CAS Google Scholar

Ibrahim, Y.、Kempers, R. & Amirfazli, A. 複合パネル用の 3D プリント電熱防氷または除氷システム。 コールドレギュレーション科学。 テクノロジー。 166、102844 (2019)。

記事 Google Scholar

Yao, X.、Hawkins, SC & Falzon, BG 高度に整列したカーボン ナノチューブ ウェブを利用した高度な防氷/除氷システム。 カーボン NY 136、130–138 (2018)。

記事 CAS Google Scholar

Jiang, H. et al. グラファイトナノプレートレットを使用した、ウェアラブル/スマートエレクトロニクスおよび除氷装置用の軽量で柔軟な低電圧電熱フィルム。 J. アロイズ Compd. 699、1049–1056 (2017)。

記事 CAS Google Scholar

DS チャバンら。 「ブレードを通る熱風の流れを使用した風力タービンからの氷の抽出」、2017 年エネルギー、通信、データ分析およびソフト コンピューティングに関する国際会議 (ICECDS)、2707 ～ 2711 ページ、https://doi.org/10.1109/ICECDS。 2017.8389946 (2017)。

ワン、L.ら。 フッ素フリーの超疎水性導電性ゴム複合体で、優れた除氷性能を備え、高感度で伸縮性のあるひずみセンサーに適しています。 ACS アプリケーションメーター。 インターフェース 11、17774–17783 (2019)。

論文 CAS PubMed Google Scholar

ブランプトン、CJ 他熱機械的航空表面除氷システムで使用するための、導電性ポリマーナノ複合材料による双安定積層体の作動。 ナノ構造物質。 https://doi.org/10.2514/6.2014-0105 (2014)。

Bustilos, J.、Zhang, C.、Boesl, B.、Agarwal, A. 優れた除氷効率と強度を備えた三次元グラフェンフォームポリマー複合体。 ACS アプリケーションメーター。 インターフェース 10、5022–5029 (2018)。

論文 CAS PubMed Google Scholar

ローダン、D. et al. 柔軟な透明電極およびヒーター用の非対称五角形金属メッシュ。 ACS アプリケーションメーター。 インターフェイス 9、4932–4940 (2017)。

論文 CAS PubMed Google Scholar

グプタ、R. et al. 平面および曲面上に透明導体およびヒーターを製造するためのクラック テンプレートのスプレー コーティング。 ACS アプリケーションメーター。 インターフェイス 6、13688–13696 (2014)。

論文 CAS PubMed Google Scholar

Kiruthika, S.、Gupta, R. & Kulkarni, GU 高伝導性と透過性の高い Ag ワイヤ メッシュの電熱加熱に基づく大面積の霜取り窓。 RSC アドバンス 4、49745–49751 (2014)。

記事 ADS CAS Google Scholar

Rahimi, A.、Hojjati, M.、Dolatabadi, A. & Moreau, C. 防氷および防氷用途のためのポリマー複合材料への溶射コーティング。 Ｊ．マニュフ． 科学。 工学 https://doi.org/10.1115/1.4050650 (2021)。

Pellissier、MPC、Habashi、WG、Pueyo、A. FENSAP-ICE による航空機熱風防氷システムの最適化。 J.Aircr. 48、265–276 (2011)。

記事 Google Scholar

Dhyani, A.、Choi, W.、Golovin, K. & Tuteja, A. 氷と雪の付着を軽減するための表面設計戦略。 事項 5、1423 ～ 1454 年 (2022 年)。

記事 Google Scholar

Lafuma, A. & Quéré, D. 超疎水性状態。 ナット。 メーター。 2、457–460 (2003)。

論文 ADS CAS PubMed Google Scholar

Nguyen, TB、Park, S. & Lim, H. 超疎水性表面の防氷性能に対する形態パラメーターの影響。 応用サーフィン。 科学。 435、585–591 (2018)。

記事 ADS CAS Google Scholar

Zhang, Y.、Yu, X.、Wu, H. & Wu, J. 制御された凝縮効果と遅延着氷効果を備えた、アルミニウム箔上での超疎水性ナノ構造の容易な作製。 応用サーフィン。 科学。 258、8253–8257 (2012)。

記事 ADS CAS Google Scholar

Genzer, J. & Efimenko, K. 機械的に組み立てられた単層による長寿命の超疎水性ポリマー表面の作成。 サイエンス 290、2130–2133 (2016)。

記事 ADS Google Scholar

Menini, R. & Farzaneh, M. 高度な疎氷性コーティング。 Ｊ．接着剤。 科学。 テクノロジー。 25、971–992 (2011)。

記事 CAS Google Scholar

ゴロビン、Ｋ．ら。 耐久性のある疎氷性の表面を設計します。 科学。 上級 2、e1501496 (2016)。

ムーン、CH 他ポリマーと微小粒子を使用した自己形成超疎水性表面による疎氷性コーティング。 ACS アプリケーションメーター。 インターフェース 14、3334 ～ 3343 (2022)。

論文 CAS PubMed Google Scholar

Zhu、L.ら。 シリコンオイルを注入したポリジメチルシロキサンをベースにした疎氷性コーティング。 ACS アプリケーション インターフェイス 5、4053 ～ 4062 (2013)。

論文 CAS PubMed Google Scholar

Liu, M.、Hou, Y.、Li, J.、Tie, L.、Guo, Z. 透明で滑りやすい液体を注入したナノ粒子コーティング。 化学。 工学 J. 337、462–470 (2018)。

記事 CAS Google Scholar

Liu、J.ら。 疎氷性用途向けのポリ（ジメチルシロキサン）ベースの複合コーティングの開発と評価。 サーフィン。 コーティング技術。 349、980–985 (2018)。

記事 CAS Google Scholar

Chen, D.、Gelenter, MD、Hong, M.、Cohen, RE & McKinley, GH 界面の非凍結水によって誘発される疎氷性表面。 ACS アプリケーションメーター。 インターフェイス 9、4202–4214 (2017)。

論文 CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Cheng, T.、He, R.、Zhang, Q.、Zhan, X.、Chen, F. 優れた防氷性能と熱応答性除氷性能を備えた磁性粒子ベースの超疎水性コーティング。 J. メーター。 化学。 A 3、21637–21646 (2015)。

記事 CAS Google Scholar

マ、L.ら。 防氷/除氷用途向けのプラズモン媒介光熱および超疎水性 TiN-PTFE フィルム。 コンポ。 科学。 テクノロジー。 181、107696 (2019)。

記事 CAS Google Scholar

Gao, L.、Liu, Y.、Ma, L. & Hu, H. 風力タービンの着氷を軽減するために、最小限に抑えられた最先端の電気加熱と超水/疎氷性表面コーティングを組み合わせたハイブリッド戦略。 更新します。 エネルギー 140、943–956 (2019)。

記事 Google Scholar

Antonini, C.、Innocenti, M.、Horn, T.、Marengo, M.、Amirfazli, A. 防氷システムのエネルギー削減に対する超疎水性コーティングの効果を理解する。 コールドレギュレーション科学。 テクノロジー。 67、58–67 (2011)。

記事 Google Scholar

ワン、P.ら。 超疎水性/電熱/光熱の相乗効果による防氷戦略で、優れた自己修復性と耐摩耗性を備えています。 J.バイオニック工学 18、1147–1156 (2021)。

記事 Google Scholar

Tarquini, S.、Antonini, C.、Amirfazli, A.、Marengo, M. & Palacios, J. ヘリコプターのブレード上の超疎水性コーティングの氷の剥離特性の調査。 コールドレギュレーション科学。 テクノロジー。 https://doi.org/10.1016/j.coldregions.2013.12.009 (2014)。

Zhao, Z.、Chen, H.、Liu, X.、Liu, H.、Zhang, D. 防氷/除氷用の高効率合成電気加熱コーティングの開発。 サーフィン。 コーティング技術。 349、340–346 (2018)。

記事 CAS Google Scholar

ミシガン州ジャミルら。 優れた除氷表面を実現する滑りやすい光熱トラップ。 J.バイオニック工学 18、548–558 (2021)。

記事 Google Scholar

モーセニ、M.ら。 準結晶コーティングは、氷に対して耐久性の低い界面靭性を示します。 ACS アプリケーションメーター。 インターフェイス 13、36517 ～ 36526 (2021)。

論文 CAS PubMed Google Scholar

Golovin, K.、Dhyani, A.、Thouless, MD、Tuteja, A. 効果的な大規模除氷のための低界面靭性材料。 サイエンス 364、371–375 (2019)。

論文 ADS CAS PubMed Google Scholar

Zeng, C. et al. 多孔質PDMSコーティングの機械的性能を合理的に制御して、大規模な氷に対する疎氷性を強化します。 ラングミュア 38、937–944 (2021)。

Dhyani、A. et al. 界面靭性の低い疎氷性表面を使用して、フィールド内の太陽電池アレイからの大規模な除雪を促進します。 上級メーター。 テクノロジー。 https://doi.org/10.1002/admt.202101032 (2021)。

Yu, Y. 他効果的な大規模な除氷のための有望な自己組織化 PTFE コーティング。 プログレ。 組織コーティング 147、105732 (2020)。

記事 CAS Google Scholar

Kozak, R.、Khorsand, K.、Zarifi, T.、Golovin, K. & Zarifi, MH ワイヤレス氷および霜検出用のパッチ アンテナ センサー。 科学。 議員 11、13707 (2021)。

論文 ADS CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Kozak, R.、Wiltshire, BD、Khandoker, MAR、Golovin, K. & Zarifi, MH 氷の蓄積を検出および防止するためのパターン化された地面ヒーターを備えた改良されたマイクロ波センサー。 ACS アプリケーションメーター。 インターフェース https://doi.org/10.1021/acsami.0c17173 (2020)。

Luckasavitch, K.、Kozak, R.、Golovin, K. & Zarifi, MH リアルタイムの海水氷検出用の磁気結合平面マイクロ波共振器。 センサー アクチュエーター A 物理学 333、113245 (2022)。

記事 CAS Google Scholar

グレン、JW 氷物理学。 物理学。 ブル。 37、209–210 (1986)。

記事 CAS Google Scholar

Druez, J.、Phan, CL、Laforte, JL & Nguyen, DD アルミニウム電気導体上の釉薬と霧氷の付着。 トランス。 できる。 社会メカ。 工学 5、215–220 (1978)。

記事 Google Scholar

Kasaai, MR & Farzaneh, M. 材料表面の氷付着強度の評価方法に関する批判的レビュー。 手順内部。 会議洋上メカ。 アークト。 工学 - OMAE 3、919–926 (2004)。

Google スカラー

Rønneberg, S.、He, J. & Zhang, Z. 低氷付着表面研究における標準の必要性: 批判的なレビュー。 Ｊ．接着剤。 サイエンステクノロジー https://doi.org/10.1080/01694243.2019.1679523 (2020)。

Emelyanenko, KA、Emelyanenko, AM & Boinovich, LB 固体表面への水と氷の付着: 一般的かつ特異的な、温度と表面の濡れ性の影響。 コーティング 10、1–23 (2020)。

記事 Google Scholar

Boinovich, LB、Emelyanenko, KA & Emelyanenko, AM 超疎水性と SLIPS: 氷付着強度の温度依存性と安定性。 J. コロイド界面科学。 606、556–566 (2022)。

論文 ADS CAS PubMed Google Scholar

Soltis, J.、Palacios, J.、Eden, T. & Wolfe, D. 耐浸食材料上の氷付着強度の評価。 AIAA J. 53、1825–1835 (2014)。

記事 ADS Google Scholar

Zarasvand, KA、Mohseni, M. & Golovin, K. 円筒状氷付着の凝着帯分析: 界面の靭性または強度が破壊を制御するかどうかを決定します。 コールドレギュレーション科学。 テクノロジー。 183、103219 (2021)。

記事 Google Scholar

Getz, D. & Palacios, J. 風力タービン用電熱除氷システムの設計手順と実験的検証。 風力エネルギー科学話し合う。 2、1–19 (2020)。

Google スカラー

吉川良生ほか熱損失抑制効果に基づいた柔軟で透明な超急速電熱フィルムの設計: 効果的な除氷ヒーターのための自己融着型Cu/Ni複合接合レスナノネットワーク。 ACS アプリケーションナノメーター。 1、860–868 (2018)。

記事 CAS Google Scholar

De Pauw, D. & Dolatabadi, A. 翼形部の防氷および除氷に対する超疎水性コーティングの効果。 J.Aircr. 54、490–499 (2017)。

記事 Google Scholar

Pourbagian、M. & Habashi、WG 一時的な除氷モードでの飛行中の電熱氷保護システムの空力最適化。 内部。 J. 熱流体の流れ 54、167–182 (2015)。

記事 Google Scholar

Shu、L.ら。 風力タービンの除氷限界熱流束の数値的および実験的調査。 J. Wind Eng. エアロディン工業。 174、296–302 (2018)。

記事 Google Scholar

Jain, MC、Nadaraja, AV、Narang, R. & Zarifi, MH 非接触平面マイクロ波共振器センサーを使用した、固体増殖培地中の抗生物質に対する細菌増殖の迅速かつリアルタイムのモニタリング。 科学。 議員 11、14775 (2021)。

論文 ADS CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Azimi Dijvejin, Z.、Jain, MC、Kozak, R.、Zarifi, MH & Golovin, K. 溶けることなくオンデマンドで除氷できるスマートな低界面靭性コーティング。 Figshare https://doi.org/10.6084/m9.figshare.20334684 (2022)。

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著者らは、調査が行われた土地である未割譲領土を使用してくれたシルクス・オカナガン民族に感謝している。 この研究は、KG と MZ に割り当てられたプロジェクト CP-3325 に基づいて国防省と、KG に割り当てられた助成金 41543 に基づいてカナダ イノベーション財団によって部分的に支援されました。

オカナガンポリマー工学研究および応用研究所、ブリティッシュコロンビア大学工学部、ケロウナ、ブリティッシュコロンビア州、V1V 1V7、カナダ

ザーラ・アジミ・ダイヴェジン & ケビン・ゴロビン

トロント大学機械・産業工学部、オンタリオ州トロント、M5S 3G8、カナダ

ザーラ・アジミ・ダイヴェジン & ケビン・ゴロビン

オカナガン マイクロエレクトロニクスおよびギガヘルツ アプリケーション (OMEGA) 研究室、ブリティッシュ コロンビア大学工学部、カナダ、ブリティッシュコロンビア州ケロウナ、V1V 1V7

マンディープ・チャジャー・ジェイン、ライアン・コザック、モハマド・H・ザリフィ

トロント大学材料科学工学部、オンタリオ州トロント、M5S 3G8、カナダ

ケビン・ゴロビン

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KG と MHZ がこのプロジェクトを発案しました。 MCJ と RK はセンサーとヒーターの理論設計とシミュレーションを担当します。 ZAD と MCJ は実験作業を実行し、原稿を書きました。 KG と MHZ がプロジェクトを指揮しました。 著者全員が結果について議論し、原稿に貢献しました。

モハマド・H・ザリフィ氏またはケビン・ゴロビン氏への通信。

著者らは競合する利害関係を宣言していません。

Nature Communications は、この研究の査読に貢献してくれた Peng Wang と他の匿名の査読者に感謝します。 査読者レポートが利用可能です。

発行者注記 Springer Nature は、発行された地図および所属機関の管轄権の主張に関して中立を保っています。

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転載と許可

Azimi Dijvejin、Z.、Jain、MC、Kozak、R. 他スマートな低界面靭性コーティングにより、溶けることなくオンデマンドで除氷できます。 Nat Commun 13、5119 (2022)。 https://doi.org/10.1038/s41467-022-32852-6

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受領日: 2022 年 3 月 31 日

受理日: 2022 年 8 月 22 日

発行日: 2022 年 8 月 31 日

DOI: https://doi.org/10.1038/s41467-022-32852-6

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