Revêtements intelligents à faible ténacité interfaciale pour

Nature Communications volume 13, Numéro d'article : 5119 (2022) Citer cet article

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L’accumulation de glace pose des problèmes dans des industries vitales et a été résolue au cours des dernières décennies grâce à des systèmes de dégivrage passifs ou actifs. Ce travail présente un système de dégivrage intelligent et hybride (passif et actif) grâce à la combinaison d'un revêtement à faible ténacité interfaciale, de réchauffeurs de circuits imprimés et d'un capteur micro-ondes de détection de glace. La ténacité interfaciale du revêtement avec la glace dépend de la température et peut être modulée à l'aide des éléments chauffants intégrés. En conséquence, le dégivrage est réalisé sans faire fondre l'interface. La combinaison synergique du revêtement à faible ténacité interfaciale et des éléments chauffants périodiques permet d'obtenir une densité de puissance de dégivrage supérieure à celle d'un système chauffant à couverture complète. Le système de dégivrage hybride fait également preuve de durabilité face au givrage/dégivrage répété, à l’abrasion mécanique, à l’exposition extérieure et à la contamination chimique. Un capteur à résonateur planaire à micro-ondes sans contact est en outre conçu et mis en œuvre pour détecter avec précision la présence ou l'absence d'eau ou de glace sur la surface tout en fonctionnant sous le revêtement, améliorant ainsi l'efficacité énergétique du système. L'évolutivité du revêtement intelligent est démontrée à l'aide de grandes interfaces glacées (jusqu'à 1 m). Dans l’ensemble, le système hybride intelligent conçu ici offre un changement de paradigme en matière de dégivrage qui peut efficacement rendre une surface sans glace sans avoir besoin d’une fonte d’interface coûteuse en énergie.

L’accumulation indésirable de glace est problématique dans des secteurs tels que les énergies renouvelables (éoliennes1,2, barrages hydroélectriques3), l’aviation4 et le transport d’électricité5. Les stratégies d'atténuation des glaces peuvent être divisées en méthodes actives ou passives. Le dégivrage actif implique un apport d'énergie externe utilisé pour éliminer la glace, généralement par des méthodes thermiques, chimiques ou mécaniques. En revanche, le dégivrage passif réduit le taux d’accumulation de glace, diminue la force d’adhésion entre la glace et la surface, ou les deux. Aucune des deux voies permettant d'obtenir une surface sans glace n'est aujourd'hui considérée comme une panacée, car les méthodes de dégivrage actif utilisent une énergie importante, mais les revêtements de dégivrage passifs ne peuvent pas maintenir une surface sans glace indéfiniment. Un système hybride combinant en synergie les technologies de dégivrage passif et actif pourrait constituer une solution intéressante au paradigme de l’accumulation de glace.

Les appareils électriques ont été largement utilisés pour le dégivrage actif sur diverses surfaces6,7,8 et utilisent le chauffage par effet Joule pour élever la température de la glace accumulée au-dessus de 0 °C, facilitant ainsi son élimination par un changement de phase en eau liquide9,10, 11,12. Une conductivité thermique/électrique adéquate est nécessaire pour maximiser l’efficacité du dégivrage tout en minimisant la consommation d’énergie9,13,14. Des radiateurs à base de graphène6,15, un pompage d'air chaud16, des radiateurs conducteurs à base de polymères17,18,19 et, le plus souvent, des systèmes de chauffage métalliques20,21,22,23 ont tous été utilisés pour fournir suffisamment de chaleur pour faire fondre la glace interfaciale. Par exemple, Bustillos et coll. a fabriqué un appareil chauffant en mousse de graphène hautement conducteur thermiquement/électriquement et flexible qui pourrait augmenter la température de l'interface de −20 °C et commencer à faire fondre une gouttelette gelée en 33 secondes19. Rahimi et coll. ont utilisé un spray plasma pour déposer du NiCrAlY sur un composite verre/époxy et ont montré que des morphologies fines et rugueuses pouvaient produire suffisamment de chaleur à des fins de dégivrage23. Une autre méthode de dégivrage actif utilisée par l’industrie aéronautique consiste à faire circuler de l’air chaud du moteur à travers les ailes des avions. Pellissier et coll. ont caractérisé ce pompage d'air chaud pour le dégivrage et leurs résultats de simulation montrent que le processus de transfert de chaleur est très complexe24. Cependant, toutes les techniques de dégivrage actif précédentes, bien qu'efficaces, nécessitaient que l'ensemble de l'interface soit élevé au-dessus de 0 °C, et par conséquent ces méthodes consomment une énergie considérable pour dégivrer de grandes surfaces telles que les pales d'éoliennes, les ailes d'avion ou de bateau. coques.

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>