涂层对谐振机电除冰系统性能的影响机制研究：低韧性涂层与低剪切强度涂层的对比分析

推荐：为解决航空及能源基础设施在寒冷环境下的结冰问题，研究人员开展谐振机电除冰系统与涂层协同效应的研究。通过对比低韧性涂层(Grad300)与低剪切强度涂层(Wearlon)的性能，发现低韧性涂层能显著提升系统除冰效率，尤其适用于面内弯曲和伸缩振动模式。该研究为涂层制造商提供了优化谐振除冰系统涂层的设计指南。

　　

在寒冷气候条件下，飞机机翼、风力涡轮机和电力线路等关键基础设施表面结冰会带来严重的安全隐患和性能损失。传统的热力除冰系统虽然有效但能耗巨大，而机械除冰系统虽然节能却难以完全清除冰层。为此，科研人员开始探索将主动除冰系统与被动防冰涂层相结合的混合解决方案。

这项发表在《Results in Engineering》的研究由G. Gastaldo等学者开展，重点探究了不同类型涂层对谐振机电除冰系统性能的影响机制。研究人员发现，当前防冰涂层研究存在一个重要空白：虽然低剪切强度涂层被广泛研究，但其与谐振机电除冰系统的协同效应尚不明确。更关键的是，涂层界面韧性这一关键参数常被忽视，而这恰恰可能决定除冰效率。

为解答这些问题，研究团队采用了多模态分析方法。通过有限元模拟和实验验证相结合，重点研究了三种谐振模式：面外弯曲模式、面内弯曲模式和伸缩模式。关键技术包括：1）基于Legillion耦合准则的断裂力学分析；2）模态保证准则(MAC)验证；3）虚拟裂纹闭合技术(VCCT)；4）结冰风洞(IWT)实验验证。样本包括抛光铝板表面涂覆的两种涂层：通过引发化学气相沉积(iCVD)制备的梯度聚合物涂层Grad300，以及商用硅酮环氧涂层Wearlon。

在"低韧性涂层"部分，研究发现Grad300涂层能将界面韧性从0.5 J/m²降至0.11 J/m²。面外弯曲模式测试显示，当冰层覆盖率为80%时，涂层样品出现从边缘向中心的粘附断裂，而裸铝样品仍保持内聚断裂。更重要的是，在结冰风洞实验中，Grad300涂层与面内弯曲和伸缩模式配合时表现出色：涂层面在4秒内完全除冰，而未涂层面仍有冰残留。完全涂覆的样品在面内弯曲模式下，冰层在0.5秒内完全脱落。

"低剪切强度涂层"部分则得出了不同结论。Wearlon涂层虽然能将冰粘附强度从740 kPa降至290 kPa，但对除冰性能提升有限。在面外弯曲模式下，其断裂行为与裸铝无异；在结冰风洞测试中，涂覆面与未涂覆面的除冰效果没有显著差异。这表明仅降低剪切强度不足以改善谐振除冰系统的性能。

研究结论部分提出了三个重要观点：首先，全面表征涂层界面属性（包括G_Ic、G_IIc和G_IIIc）对预测除冰性能至关重要；其次，工业界广泛使用的低剪切强度涂层可能不适用于谐振除冰系统；最后，计算表明界面韧性减半可使表面功耗降低50%。这些发现为涂层制造商提供了明确的设计方向：开发低界面韧性涂层，而非单纯追求低剪切强度。

该研究的创新性在于首次系统评估了涂层特性与振动除冰模式的匹配关系，揭示了界面韧性在除冰过程中的关键作用。未来研究可进一步探索涂层耐久性以及在真实飞行条件下的性能表现。这项由欧盟"地平线2020"计划资助的研究，为开发更节能高效的混合除冰系统奠定了重要理论基础。