[发明专利]一种降低材料表面结冰附着强度的方法

说明书

技术领域

本发明涉及材料表面冻结结冰的清理原理和方法。该方法利用水在冻结时相变膨胀中产生的应变和应力，使结冰附着界面发生位置的变化，降低表面结冰附着强度，便于部件表面结冰的清除。

背景技术

部件表面上的结冰现象会影响其工作效率、甚至造成安全隐患。如飞行器表面的结冰，电力输变电系统上的电力塔架、电缆上的覆冰，车辆底盘上的结冰积雪等。这些结冰现象不仅给系统带来负重载荷，甚至造成严重的事故。作为低冷环境下由于溅水、积水或降雨引起的不可避免的自然现象，部件表面的结冰问题的防治研究受到工程领域技术人员的关注。

目前，对于部件表面的结冰附着问题的解决主要以机械冲击、加热融化、化学融化等被动式清理方法为主。此外，近几年随着材料科学的发展基于涂层方法预防部件表面的结冰相关理论及技术的报告常被提及，如专利ZL200710099350.8(高疏水性防结冰及防结霜涂料及其制备方法)，ZJ201010034300.3(防结冰添加剂及其制备方法)，ZJ200610095802.0(抗腐蚀防结冰涂层)，200980105230.1(疏水蛋白在防止表面结冰中的应用)等等，这些研究通过在材料表面涂覆防结冰涂层方法实现主动式预防目的。但作为持续时间长，且伴随复杂的物质相变和界面黏附现象，漆涂层的效应的耐久性和实用性方面存在一定缺陷。

针对机械清除、热融化等被动式方法存在的能耗大、实施时间长等问题和以涂层为代表的主动式防结冰技术存在的耐久性和工程应用中的实际效果等问题，本发明基于水结冰过程中存在的体积膨胀为动力，利用特定表面形态和涂层共同使用的方法，降低结冰在部件表面的附着强度，最终实现降低表面结冰清理难度的目的。试验表明，水结冰过程中由于其密度的差异产生体积膨胀现象，其中水相变过程中的体积膨胀占据着主导位置。据测相变膨胀引起的体积膨胀可达1.11倍，利用合理的结构形态使用体积膨胀引起的形变和应力是本发明的思路。

发明内容

本发明所述的一种降低材料表面结冰附着强度的方法，目的在于针对机械清除、热融化等被动式方法存在的能耗大、实施时间长等问题和以涂层为代表的主动式防结冰技术存在的耐久性和工程应用中的实际效果等问题，提供防治和降低部件表面结冰强度的一种有效、简便、持久的技术原理和方法。

本发明的上述目的通过以下技术方案实现：

一种降低材料表面结冰附着强度的方法，利用水在冻结过程中相变膨胀产生的应力作为动力，通过对材料表面的结构设计和局部涂层，使其结冰相变膨胀产生的应变和应力作用于材料与结冰黏结界面，使其界面附着层发生位移或产生内部应力集中，最终实现冰在材料表面附着强度的降低，具体步骤如下：

步骤一，在材料表面加工凹陷，所述凹陷在材料表面的分布为分散独立的凹坑，或连续的凹槽、波纹，或是交叉的凹槽、波纹；

步骤二，在凹陷结构内侧局部喷涂涂层，其作用是通过隔热控制凹陷内的结冰规律，让凹陷外部水先冻结，使凹陷内部形成封闭边界，避免相变应力应变从凹陷开口处释放，实现凹陷内水结冰膨胀应力应变约束在凹陷容腔内，同时也降低冰在凹陷内材料表面的附着强度，涂层的厚度为0.1～2mm，凹槽内部涂层的覆盖比率为50～100％。

步骤一所述凹陷的几何形状为从底部至开口方向槽宽逐渐增大，在材料表面法向截面为弧形凹坑，或底边为半圆形的梯形，或底边为圆弧的渐开曲线型。

步骤一所述凹陷的表面孔径或宽度为1～10mm，深度为孔径或槽宽的20～60％。

步骤一所述凹陷在材料表面的占据面积比为30～95％。

步骤一中凹陷底部的涂层作用为隔热，同时在与膨胀力的作用下影响水与凹陷界面结合的稳定性，破坏材料表面结冰的不连续性，降低了冰在材料表面的黏附强度。

步骤二所述隔热涂层是指陶瓷微泡隔热保温涂料或空心玻璃粉树枝涂料先进隔绝传导型隔热涂料涂层，或采用导热系数小于1W/m×K的涂料涂层。

本发明基于水结冰过程中存在的体积膨胀为动力，利用特定表面形态和涂层共同使用的方法，降低结冰在部件表面的附着强度，最终实现明显降低表面结冰清理难度的效果。发明公开的降低结冰强度的技术原理和方法可广泛的应用与所有的部件表面，通过结冰自身的膨胀力，引起表面结冰初期内部冻结界面的缺陷，降低结冰附着强度。

附图说明

图1发明方法原理示意图。

图2表面凹陷形式。

图2(a)为圆弧凹坑。

图2(b)为连续多曲线凹坑。

图2(c)为连续凹槽。