基于压电阵列优化布局与界面韧性调控的低能耗除冰技术研究

针对航空安全中结冰问题带来的高能耗除冰挑战，研究人员通过优化压电元件阵列布局（对称构型）与调控多孔PDMS涂层界面韧性（40%孔隙率，<100 μm厚度），开发出耦合系统。该系统在200 Vp-p激励下130秒内实现大面积除冰，能耗较传统方法降低16-54%，为飞机表面高效除冰提供了可扩展解决方案。

　　

结冰现象虽常见，却严重威胁航空安全。现有除冰技术如电热融冰、机械除冰等虽有效，但面临高能耗、低效率的瓶颈。而超疏水涂层等被动方案在复杂环境下性能受限。如何实现高效低耗除冰，成为航空领域亟待突破的难题。

在此背景下，研究人员创新性地将压电振动除冰技术与低界面韧性多孔聚二甲基硅氧烷（PDMS）涂层相结合。压电元件通过逆压电效应产生振动，引发冰层剪切破碎；而多孔PDMS涂层通过调控孔隙率（40%）和厚度（<100 μm），显著降低固-冰界面断裂韧性，促使微裂纹萌生。二者协同作用，形成"主动振动触发+被动界面弱化"的耦合除冰机制。

为验证该技术，研究团队通过有限元模拟和实验测试，系统分析了压电元件尺寸、取向、间距及阵列布局（包括对称与非对称构型）对振动性能的影响。结果表明，对称布局（Layout 5/6）能优化振动均匀性，使界面剪切应力分布提升23%。同时，多孔PDMS涂层将除冰外力降低至60 N/cm，实现固-冰界面粘附失效。最终耦合系统在200 V_p-p电压下，仅用130秒即完成大面积除冰，能耗较传统单/多压电系统降低16-54%。

关键技术包括：1）压电振动测量系统（含信号发生器、功率放大器和振动传感器）；2）多孔PDMS涂层的孔隙率与厚度调控；3）基于有限元分析的压电阵列布局优化；4）固-冰界面剪切应力分布表征。

【压电振动测量】通过自建测试平台量化振动幅度与除冰效果，传感器监测振动模态，确保数据准确性。
【布局优化】仿真显示20×10 mm²压电元件在45°斜向布局时，剪切应力提升19%；对称阵列使振动覆盖率提高至92%。
【涂层性能】40%孔隙率PDMS使界面韧性降低至0.12 J/m²，厚度<100 μm时临界除冰力仅为对照组的31%。
【耦合机制】压电振动产生的面外剪切应力与涂层预置微裂纹协同作用，使裂纹扩展速率提升3倍。

结论表明，该研究通过压电阵列优化与界面韧性精准调控，实现了三大突破：1）建立"机械振动-界面弱化"协同除冰理论框架；2）开发出能耗降低超50%的实用化技术；3）为航空器大面积表面除冰提供可扩展解决方案。讨论部分强调，未来需进一步研究极端环境下的涂层耐久性，以及多物理场耦合对系统稳定性的影响。这项发表于《Surfaces and Interfaces》的工作，为新一代智能除冰系统设计提供了重要范式。