2018-09-17 22:16:02
世界上第一个被动式防结霜表面与冰对抗

没有什么比挡风玻璃上的霜更能预示冬天的到来。

虽然刮或除霜车窗带来的不便可能会给许多司机带来寒冷的早晨,但霜冻带来的经济损失不仅仅是一种麻烦。从航班延误到停电,冰的积累每年会让消费者和公司损失数十亿美元的效率和机械故障。

弗吉尼亚理工大学本周发表在《ACS应用材料与界面》杂志上的新研究希望改变这种状况。随着世界上第一次展示被动式防结霜表面,这项研究为保持表面90 %干燥和无霜提供了概念证明——所有这些都没有任何化学物质或能量输入。

“结霜是一个大问题,研究人员多年来一直致力于解决这个问题,”工程学院弗吉尼亚理工大学生物医学工程与力学系的博士生、这项研究的主要作者法尔扎德·艾哈迈迪说。

艾哈迈迪解释说,传统的防冻方法依赖于防冻化学物质或能量输入,如热量。即使是在公路上撒盐的古老方法本质上也是一种化学处理。最近的其他进展包括用于防止结霜的表面的特殊涂层,但是这些涂层不耐用,容易磨损。

艾哈迈迪说:“对于这个项目,我们没有使用任何特殊的涂料、化学品或能源来克服霜冻。”“相反,我们利用冰本身独特的化学特性来防止霜的形成。"

使用一种简单的设计方法,研究人员在未处理过的铝上制作了防结霜表面,方法是将冰条图案化到一组微小的凸起凹槽上。微观凹槽充当牺牲区域,在那里形成有意的冰条纹并产生低压区。这些低压区域将附近的湿气从空气中吸到最近的冰带上,即使在潮湿、亚冰冻的条件下,重叠的中间区域也不会结霜。

这些牺牲冰条仅占材料表面积的10 %,剩下的90 %完全干燥。

生物医学工程和力学系的助理教授乔纳森·博雷克说:“这一概念的真正力量在于冰条本身就是化学物质,这意味着我们使用的材料无关紧要。”“只要你有合适图案的牺牲冰,你使用的材料实际上可以是任何东西。所以有很多可能性。"

研究人员看到了这项技术在暖通空调行业的直接应用,在该行业中,热交换器的室外部件(如热泵和风扇系统)已经在其表面使用了一种微型翅片。制造商只需要在这些翅片上应用正确的凹槽图案,以防止系统内部结霜。

其他应用包括航空航天材料,如飞机机翼。是的,随着一点点的发展,汽车挡风玻璃也是防结霜技术的一种选择,这项技术已经获得了完全专利。

除了前所未有的防结霜性能外,这项技术还可以带来额外的好处:它可能有助于抵消传统的防冰方法,这些方法给环境带来了令人不安的影响。例如,一次飞行需要数千加仑防冻化学物质来解冻一架飞机的机翼。这些化学物质流入地下水,以微小的水滴形式扩散到空气中,可能会对植被和野生动物——甚至人——产生持久的影响。

艾哈迈迪说:“冰的好处是对环境友好。”“这不像其他化学物质,甚至盐,它们不仅会停留在周围,而且随着时间的推移会被稀释或稀释。"

boreyko说,这项研究最重要的贡献之一是开发了一个合理的模型,来计算为了保持表面干燥,需要施用多少化学物质(在这种情况下,化学物质是冰)。

“我们已经知道了几个世纪的诀窍,”他说。“你放下一种低压化学物质,比如盐,它能保持周围的一切都非常干燥。但是现在我们正在使这种影响永久化,并且使其分布合理化。"

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