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 每到寒冷的冬季，飛機(jī)延誤率常常大幅度升高，其中一個(gè)重要原因——機(jī)場的工作人員要給飛機(jī)噴灑防冰液，以除去覆蓋在飛機(jī)表面的積冰。然而，除冰劑的效果通常只能維持10-15 分鐘，即便噴涂防凍液，也只能維持30-40分鐘，在等待起飛的過程中可能需要反復(fù)除冰。遇到雪天，成本還會(huì)增加，平均一架飛機(jī)的清理成本超過萬元。

根據(jù)分析機(jī)構(gòu)的預(yù)測(cè)，到2020年，全球飛機(jī)除冰的市場規(guī)?？赡苓_(dá)到13億美元。更可怕的是，據(jù)統(tǒng)計(jì)，每年我國因?yàn)椴怀虺划?dāng)而導(dǎo)致的航空不安全事件達(dá)40~50起，嚴(yán)重威脅乘客和機(jī)組人員的生命安全。當(dāng)無聊的坐在飛機(jī)上等待除冰時(shí)，你是否想過，為什么去除飛機(jī)表面的冰是如此困難？我們又能否發(fā)明一種易除冰的材料，一勞永逸的解決這個(gè)問題？

現(xiàn)有的疏冰材料（icephobic materials）常基于聚二甲基硅氧烷（PDMS），這種柔韌的硅膠材料與冰有較低的黏附性，同時(shí)也有比較理想的潤滑性和較低的表面能，這些特性可以實(shí)現(xiàn)較低的單位冰黏附強(qiáng)度。然而，對(duì)于飛機(jī)，船體，風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片等比較大的表面，表觀冰黏附強(qiáng)度仍然非常大，換言之，移除其表面的積冰仍需要很大的力。近日，密歇根大學(xué)安娜堡分校的Michael Thouless 教授和Anish Tuteja教授團(tuán)隊(duì)另辟蹊徑，利用通用塑料/硅膠+塑化劑的組合制成低界面韌性的材料，在大面積積冰的表面實(shí)現(xiàn)了超低表觀冰黏附強(qiáng)度。只需極小的力，或僅憑自身重力就可以移除材料表面大面積的冰。相關(guān)文章“Low–interfacial toughness materials for effective large-scale deicing”已于近期發(fā)表在《Science》。

圖1.從硅膠和聚丙烯上剝離冰每個(gè)單位寬度所需的力

通用塑料材料如聚氯乙烯（PVC），聚酰胺（PA），聚丙烯（PP）和聚四氟乙烯（PTFE）常常體現(xiàn)出較高的單位冰黏附強(qiáng)度（> 200 kPa），此前并不被看好有良好的除冰性能。如圖1中聚丙烯（polypropylene PP），隨著積冰長度的增加，推動(dòng)積冰所需的力也快速增加，然而一旦冰的長度超過臨界值（Lc），推動(dòng)單位寬度積冰所需的力卻不再變化，最終的界面韌度穩(wěn)定在1.92 J/m2。在疏冰硅膠材料（Silicone B）中，即使有著更低的冰黏附強(qiáng)度（=30 kPa），隨著積冰長度增加，所需推動(dòng)單位寬度的冰所需的力卻持續(xù)線性的增加。對(duì)于大尺寸的表面，其表面與冰的界面韌度可高于8.82 J/m2。主要原因是硅膠材料擁有較好的界面韌性，使積冰在表面小幅移動(dòng)時(shí)需要克服更多阻礙，隨著材料表面的擴(kuò)大最終積累形成牢固的冰-材料界面。因此，盡管冰黏附性在較小的表面更重要，但對(duì)于大尺寸的積冰，如大飛機(jī)的表面，降低冰-材料界面韌性才是設(shè)計(jì)易除冰表面的重點(diǎn)！

“塑料+增塑劑”，大面積除冰輕松搞定！

在塑料制品中加入塑化劑可以使材料變得更柔軟，我們身邊的塑料袋，保鮮膜都是這樣制成的。密歇根大學(xué)的科學(xué)家們敏銳的意識(shí)到，塑化劑的加入可以降低通用塑料的界面韌性，因此可能進(jìn)一步降低推動(dòng)表面積冰所需的力。如圖2，通過在PVC 中加入中鏈甘油三酯油（medium-chain triglyceride oil MCT），界面韌度可以進(jìn)一步降至0.2 J/m2。這一趨勢(shì)也與材料厚度有關(guān)，因?yàn)楦〉谋砻婵梢愿笙薅鹊臏p少材料基體性能的影響。而在PDMS中加入硅油可形成低界面韌性的LIT PDMS，可以將硅膠材料的低冰黏附強(qiáng)度和低界面韌性結(jié)合起來，制成大面積易除冰的表面。

圖2.對(duì)界面韌性的調(diào)控

通過在鋁板上涂敷低界面韌性的LIT PDMS涂層，0.95 m×0.95 m×0.01 m的積冰可以僅憑自身重力從表面剝離，在這一尺度上，表觀冰黏附強(qiáng)度可低至0.09 kPa，遠(yuǎn)低于常見疏冰材料（< 100 kPa）。

作者通過重新審視和研究冰在材料表面黏附的原因，調(diào)整了人們對(duì)于解決這一問題的思路。進(jìn)而運(yùn)用商品化的原材料，成功開發(fā)了大面積易除冰材料。這項(xiàng)技術(shù)的相關(guān)專利已經(jīng)被授權(quán)給HygraTek LLC公司。或許在不久的將來，我們將不再需要在冬天頻繁清理汽車擋風(fēng)玻璃上的積冰，或者可以省去在冬季航班起飛前等待除冰的過程了。