專利名稱：改變冰附著強(qiáng)度的系統(tǒng)及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及改變冰和所選材料之間的冰附著強(qiáng)度的方法及設(shè)備，特別是涉及在冰和所選材料之間的界面上施加電能，根據(jù)需要來提高或降低冰附著強(qiáng)度的系統(tǒng)及方法。
背景技術(shù)：
冰附著于某些表面會(huì)引發(fā)許多問題。例如，冰在飛機(jī)機(jī)翼上積聚過多會(huì)危及飛機(jī)及乘客的安全。船體上結(jié)冰會(huì)造成航行困難，消耗更多能量，并產(chǎn)生某些不安全因素。刮除汽車風(fēng)擋玻璃上的結(jié)冰，被大多數(shù)成年人視為一件煩人的重復(fù)性雜務(wù)；任何殘留的冰都會(huì)影響駕駛員的能見距離及安全性。
直升機(jī)螺旋槳葉和公路路面的結(jié)冰以及冰附著現(xiàn)象也會(huì)引發(fā)問題。在冰和雪的清除和控制方面，花費(fèi)高達(dá)數(shù)十億美元。另外，冰還能夠附著于金屬、塑料及陶瓷材料上，造成其他各種日常困難。
輸電線路的結(jié)冰也會(huì)引發(fā)問題。結(jié)冰會(huì)增加輸電線路的重量，造成線路中斷而斷電，其直接和間接經(jīng)濟(jì)損失也高達(dá)數(shù)十億美元。
就現(xiàn)有技術(shù)而言，雖然處理冰附著的方法有多種，但大多數(shù)方法均涉及到某種形式的刮除、熔化或打碎。例如，航空界使用除冰溶液(例如，乙二醇)來熔化飛機(jī)機(jī)翼上的積冰。雖然這種方法費(fèi)用昂貴，而且對(duì)環(huán)境有害，但是，機(jī)翼積冰會(huì)危及乘客的安全使得有理由使用這種除冰方法。另外，有的飛機(jī)是利用沿著機(jī)翼前緣布置的橡皮管，通過定時(shí)給橡皮管充氣來破壞在機(jī)翼上的積冰；還有的飛機(jī)是通過將噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)的熱量改道到機(jī)翼上來熔化機(jī)翼上的積冰。
但是，這些現(xiàn)有技術(shù)的方法有其局限性，并會(huì)引發(fā)一些問題。第一，螺旋槳飛機(jī)沒有噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)。第二，機(jī)翼前緣的橡皮管對(duì)飛機(jī)的氣動(dòng)力特性有不良影響。第三，除冰費(fèi)用極為昂貴，每次除冰的費(fèi)用大約為2500美元～3500美元，而對(duì)某些飛機(jī)而言，每天需要除冰10次。
上述問題通常起因于冰形成并附著于各種表面。但是，冰還會(huì)因其摩擦系數(shù)極低而引發(fā)問題。例如，公路路面上的結(jié)冰每年都會(huì)引發(fā)為數(shù)眾多的交通事故，造成人員的傷亡和財(cái)產(chǎn)的巨大損失。如果汽車輪胎能夠更為有效地抓緊冰面，則就可以降低此類交通事故的數(shù)量。
因此，本發(fā)明的目的是提供用來有益地改變冰附著強(qiáng)度的系統(tǒng)及方法。
本發(fā)明的另一個(gè)目的是提供用來降低交通工具表面(例如，飛機(jī)機(jī)翼、船體及汽車風(fēng)擋玻璃)上冰附著強(qiáng)度以便于除冰的系統(tǒng)。
本發(fā)明的又一個(gè)目的是提供用來于提高結(jié)冰道路與車輛輪胎之間、冰面與其他物體(例如，鞋底和越野雪橇)之間摩擦系數(shù)的系統(tǒng)。
上述目的及其它目的將通過下面的描述變得明顯、易懂。
本發(fā)明的概述如果降低冰和結(jié)冰表面之間的冰附著強(qiáng)度，就能夠緩解前面所提到過的一些問題。例如，如果充分地降低冰和機(jī)翼之間的冰附著強(qiáng)度，則風(fēng)壓、振動(dòng)或不費(fèi)力的人工刷掃，即可將冰從機(jī)翼上除去。同樣，如果降低冰和汽車風(fēng)擋玻璃之間的冰附著強(qiáng)度，則刮除汽車風(fēng)擋玻璃上的冰也就容易得多。
如果提高冰和其所接觸的表面之間的冰附著強(qiáng)度，就能夠緩解前面所提到過的其他問題。例如，如果提高汽車輪胎和結(jié)冰路面之間的冰附著強(qiáng)度，就能夠減少車輪打滑和減少交通事故。
冰具有某些物理特性，這些特性使本發(fā)明能夠有選擇地改變冰對(duì)導(dǎo)體(及半導(dǎo)體)表面之間的冰附著強(qiáng)度。首先，冰是一種質(zhì)子半導(dǎo)體，質(zhì)子半導(dǎo)體屬于半導(dǎo)體中的一小類，其載流子是質(zhì)子而不是電子。這種現(xiàn)象起因于冰內(nèi)的氫鍵鍵合。氫鍵鍵合的發(fā)生，是因?yàn)楸鶅?nèi)水分子的氫原子和氧原子共用其電子。因此，水分子的原子核------一個(gè)質(zhì)子------保持與相鄰水分子的鍵合。
與典型的電子半導(dǎo)體相似，冰也具有導(dǎo)電性。盡管冰的導(dǎo)電性通常較弱，但是，通過加入化學(xué)添加劑------可以額外捐獻(xiàn)或收受載流子(就冰而言，載流子為質(zhì)子)的化學(xué)添加劑，可以改變冰的導(dǎo)電性。
冰的另一項(xiàng)物理特性是其蒸發(fā)性。物質(zhì)的蒸發(fā)性隨物質(zhì)表面的蒸氣壓力而變化。就大多數(shù)材料而言，在液態(tài)——固態(tài)界面，蒸氣壓力迅速下降。但是，對(duì)冰來說，在液態(tài)——固態(tài)界面，其蒸發(fā)性實(shí)際上沒有變化。這是因?yàn)楸嫔细采w有一個(gè)液狀層(LLL)。
液狀層(LLL)還是冰附著強(qiáng)度的一個(gè)重要影響因素。例如，如果將冰的平滑表面與飛機(jī)機(jī)翼的平滑表面相接觸，兩個(gè)表面之間的實(shí)際接觸面積大約為兩個(gè)表面之間總交界面積的千分之一。液狀層在兩個(gè)表面之間充當(dāng)潤(rùn)濕材料(幾乎所有粘合劑的主要成分)，從而大大提高了表面間的有效接觸面積。接觸面積的提高對(duì)冰附著強(qiáng)度有著很大影響。
冰具有半導(dǎo)體特性，再加上冰面上覆蓋有一個(gè)液狀層，使人們能夠有選擇地控制冰和其他表面之間的冰附著強(qiáng)度?？傮w上講，冰塊內(nèi)的水分子是無規(guī)則取向的。但是，在冰的表面，水分子具有明顯的同一方向的取向性，或者朝內(nèi)或者朝外。因此，其所有的質(zhì)子或者朝內(nèi)或者朝外，從而所有的正電荷或者朝內(nèi)或者朝外。
盡管確切的機(jī)理尚不清楚，但很可能是因?yàn)樵诒鶋K內(nèi)水分子為無規(guī)則取向，而在液狀層內(nèi)，則轉(zhuǎn)變?yōu)橐?guī)則取向。規(guī)則取向的實(shí)際結(jié)果是，在冰面出現(xiàn)較高密度的電荷(或正或負(fù))。因此，如果在與冰接觸的表面上產(chǎn)生電荷，就能夠有選擇性地改變?cè)趦蓚€(gè)表面之間的附著力。正像同性相斥、異性相吸那樣，通過從外部在冰與其他表面之間施加偏壓，就能夠降低或提高冰面與其他表面之間的附著力。
一方面，本發(fā)明利用電源，在冰和結(jié)冰表面之間的界面兩端施加直流電壓。例如，導(dǎo)體表面可以是機(jī)翼或船體(甚至是機(jī)翼或船體的涂料)。第一電極與導(dǎo)體表面相連；用不導(dǎo)電材料或絕緣材料在導(dǎo)體表面上形成柵格；第二電極通過在絕緣材料表面上涂敷導(dǎo)電材料而形成，例如，涂敷導(dǎo)電涂料，但并不與導(dǎo)體表面相接觸。第二電極的表面面積，與系統(tǒng)所保護(hù)的整個(gè)表面區(qū)域相比，應(yīng)當(dāng)很小。例如，受保護(hù)區(qū)域(即要設(shè)法實(shí)現(xiàn)無冰的區(qū)域)的表面面積應(yīng)當(dāng)至少比第二電極的表面面積大10倍。
利用線路將第二電極和電源連接起來，同時(shí)利用線路將第一電極和電源連接起來。當(dāng)受保護(hù)的表面和第二電極(導(dǎo)電柵狀電極)被冰所覆蓋時(shí)，即接通電路。屆時(shí)，有選擇性地給電路加上電壓，就可以控制改變冰與其他表面之間的冰附著強(qiáng)度。
另外，最好還給電路連接一個(gè)電壓調(diào)節(jié)子系統(tǒng)，以便能夠調(diào)節(jié)控制施加到界面兩端的電壓，實(shí)現(xiàn)對(duì)冰附著強(qiáng)度的控制。例如，就離子濃度不同的冰而言，將冰附著強(qiáng)度降低到最小所需要的最佳電壓，也會(huì)發(fā)生變化；電壓調(diào)節(jié)子系統(tǒng)即提供了一種能夠有選擇地改變最佳電壓的裝置。
最好還給電路連接其他一些子系統(tǒng)，以使系統(tǒng)具備一些特性，例如，可以探測(cè)出電路接通是起因于水還是冰。一方面，電源是一個(gè)直流電源(例如，蓄電池)，它給電路提供電壓并和除冰電極相連。給電路連接一個(gè)直流電流表，用來測(cè)量冰的直流導(dǎo)電性(即當(dāng)受保護(hù)表面結(jié)冰且導(dǎo)電柵狀電極任何一部分被冰所覆蓋時(shí)，“短路”兩個(gè)電極的半導(dǎo)體層的直流導(dǎo)電性)。另一方面，給電路連接一個(gè)交流電源，用來有選擇地產(chǎn)生10kHz～100kHz的交流電壓。給電路連接一個(gè)交流電流表，用來測(cè)量冰在10～100kHz范圍內(nèi)的交流導(dǎo)電性。另外，利用電流比較器來比較冰的直流導(dǎo)電性和交流導(dǎo)電性。
這樣就提供了一個(gè)電路，它能夠區(qū)分出表面上所形成的半導(dǎo)體層是冰，還是表面上的水。水的交流導(dǎo)電性(在前面所提到過的范圍內(nèi))和水的直流導(dǎo)電性大體上相同。但是，對(duì)冰來說，其交流導(dǎo)電性和直流導(dǎo)電性要相差2～3個(gè)數(shù)量級(jí)。這種導(dǎo)電性差異能夠通過直流電流表和交流電流表測(cè)量出來，并在電流比較器內(nèi)進(jìn)行比較。當(dāng)導(dǎo)電性的差異高于預(yù)定值時(shí)，電流比較器即發(fā)出結(jié)冰報(bào)警信號(hào)。此時(shí)，電壓調(diào)節(jié)子系統(tǒng)可給電路(也就是界面)施加一個(gè)直流偏壓，以所希望的場(chǎng)強(qiáng)度來充分地降低冰的附著強(qiáng)度。根據(jù)本發(fā)明，當(dāng)探測(cè)到機(jī)翼上結(jié)冰時(shí)，結(jié)冰報(bào)警信號(hào)還將啟動(dòng)系統(tǒng)內(nèi)的反饋電路(1)測(cè)量冰的導(dǎo)電性；(2)確定可將冰附著強(qiáng)度降低到最小(或接近最小)的適當(dāng)偏壓；(3)在冰一機(jī)翼的界面上施加偏壓，以便于除冰。
該領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)知道，前面所描述的系統(tǒng)適用于許多種表面(例如，汽車風(fēng)擋玻璃、船體及輸電線路)，用來降低冰的附著強(qiáng)度。就降低冰附著強(qiáng)度而言，如果表面材料具有弱的導(dǎo)電性，最好是給表面材料“摻雜”，以使其具有足夠的導(dǎo)電性。摻雜技術(shù)是本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員所熟知的技術(shù)。例如，汽車輪胎就能夠通過摻入碘來使橡膠具有導(dǎo)電性。同樣，汽車玻璃也能夠通過摻入ITO或攙雜氟化物的SnO2，使風(fēng)擋玻璃成為可接受的半導(dǎo)體。
但另一方面，前面所描述的系統(tǒng)和電路也適用于希望提高冰附著強(qiáng)度的場(chǎng)合。就提高冰附著強(qiáng)度而言，例如，當(dāng)結(jié)冰報(bào)警探測(cè)到結(jié)冰時(shí)，系統(tǒng)啟動(dòng)反饋電路來調(diào)節(jié)施加給界面的直流電壓，以提高冰的附著強(qiáng)度。例如，能夠從這種系統(tǒng)獲益的應(yīng)用場(chǎng)合和表面包括鞋子的鞋底和汽車的輪胎。
另外，本發(fā)明還能夠包括一個(gè)可變冰附著強(qiáng)度/電壓控制子系統(tǒng)，它能夠有選擇性地提高和降低在冰和其所接觸表面之間的冰附著強(qiáng)度。例如，越野雪橇(或旋轉(zhuǎn)雪橇)理想的是在爬坡時(shí)(或在某些情況下，下坡時(shí))，具有較高的摩擦力；在下坡時(shí)，具有較低的摩擦力。根據(jù)本發(fā)明，這里所描述的冰附著強(qiáng)度控制系統(tǒng)及電路能夠與雪橇的電路相連，從而使滑雪者能夠有選擇性地調(diào)節(jié)控制雪橇的摩擦力。
對(duì)本發(fā)明有用的其他背景材料可以從下述文章中找到，這些文章均被本文引用為參考資料Petrenko的論文“冰摩擦的靜止場(chǎng)效應(yīng)”，《應(yīng)用物理》雜志(J.Appl.Phys.)76(2)，1216-1219(1994)；Petrenko的論文“冰、雪摩擦中電場(chǎng)的產(chǎn)生”，《應(yīng)用物理》雜志(J.Appl.Phys.)77(9)，4518-4521(1995)；Khusnatdinov等人的論文“冰/固體界面的電特性”，《基礎(chǔ)物理化學(xué)》雜志(J.Phys.Chem.B)，101，6212-6214(1997)；Petrenko的論文“利用掃描力顯微術(shù)對(duì)冰面、冰/固體界面及冰/液體界面的研究”，《基礎(chǔ)物理化學(xué)》雜志(J.Phys.Chem.B)，101，6276-6281(1997)；Petrenko等人的論文“冰面層的載流子表面狀態(tài)及電特性”，《基礎(chǔ)物理化學(xué)》雜志(J.Phys.Chem.B)，101，6285-6289(1997)；以及，Ryzhkin等人的論文“冰附著的物理機(jī)理”，《基礎(chǔ)物理化學(xué)》雜志(J.Phys.Chem.B)，101，6267-6270(1997)。
下面將結(jié)合最佳實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行說明，顯然，該領(lǐng)域的普通技術(shù)人員能夠在不偏離本發(fā)明范圍的情況下，進(jìn)行各式各樣的增加、減少或改進(jìn)。
通過參看附圖，可以對(duì)本發(fā)明有更為透徹的了解。


圖1A-1C表示直流偏壓對(duì)冰附著于液態(tài)金屬(汞)的影響，接觸角Θ越小，表明附著強(qiáng)度越高；圖2表示用于測(cè)定圖1A-1C所示的冰一汞界面能量的冰測(cè)壓計(jì)；圖3表示在使用0.5％NaCl摻雜冰、T＝-10℃的條件下，直流偏壓對(duì)冰-汞界面能量的試驗(yàn)結(jié)果；圖4表示如何在冰/金屬界面產(chǎn)生氣泡，來起到界面裂紋的作用，以降低界面附著強(qiáng)度；圖5表示根據(jù)本發(fā)明設(shè)計(jì)的一種用來改變冰對(duì)普通導(dǎo)體(或半導(dǎo)體)材料的附著強(qiáng)度的系統(tǒng)；圖6為圖5所示系統(tǒng)的剖視圖(未按比例繪制)；圖7表示本發(fā)明的一種用來減少飛機(jī)機(jī)翼上結(jié)冰的系統(tǒng)；圖8表示本發(fā)明的一種通過在輸電線上涂敷涂層而去除輸電線上的冰和雪的系統(tǒng)；圖9表示根據(jù)本發(fā)明在非活性表面上涂敷鐵電材料涂層來進(jìn)行除冰。
圖10表示根據(jù)本發(fā)明設(shè)計(jì)的用于給冰釋放離子以便于降低冰附著強(qiáng)度的滲透層。
圖11表示根據(jù)本發(fā)明設(shè)計(jì)的輸電線。
圖12表示根據(jù)本發(fā)明設(shè)計(jì)的用于降低冰附著強(qiáng)度的自組裝單層。
附圖的詳細(xì)說明本發(fā)明包括用來改變冰附著強(qiáng)度的系統(tǒng)和方法，該系統(tǒng)和方法通過在冰和其所附著材料(例如，金屬和半導(dǎo)體)的界面之間施加直流偏壓而改變冰的附著強(qiáng)度。因此，本發(fā)明能夠用來減輕(在某些情況下消除)冰在這些材料上的附著。
在具體的實(shí)施例中，本發(fā)明改變了冰和金屬形成粘接的靜電相互作用。通過在冰和金屬之間施加一個(gè)小的直流偏壓，即能夠有效地改變靜電相互作用。
試驗(yàn)和理論計(jì)算表明，冰表面的電荷密度高達(dá)10-2C/m2到3·10-2C/m2。參看Petrenko的論文“冰、雪摩擦中電場(chǎng)的產(chǎn)生”，《應(yīng)用物理》雜志(J.Appl.Phys.)，77(9)，4518-21(1995)；Petrenko的論文“利用掃描力顯微術(shù)對(duì)冰面、冰/固體界面及冰/液體界面的研究”，《基礎(chǔ)物理化學(xué)》雜志(J.Phys.Chem.B)，101，6276(1997)；以及Dosch等人的“表面科學(xué)”(Surface Science)，366，43(1996)。這些文章在此均被引用為參考資料。這種電荷密度起因于冰表面下層內(nèi)的水分子的強(qiáng)烈極化作用。
冰面電荷與固體材料內(nèi)感應(yīng)電荷之間的相互作用，影響著冰—固體材料界面的強(qiáng)度。兩個(gè)平面電荷的靜電吸引力(負(fù)壓Pel)利用如下公式進(jìn)行估算Pel=ϵ0ϵE22------(1)]]>其中，ε0為真空介電常數(shù)，E為電荷之間的空間電場(chǎng)強(qiáng)度。由于電荷分布決定著兩種材料的接觸電位VC，因此，我們可以將E估算為VC/L，L是位于冰和固體材料內(nèi)的平面電荷之間的距離。冰—金屬界面的VC從十分之幾伏到大約1伏不等。參看Buser等人的論文“金屬上冰粒子碰撞造成電荷分離電子表面態(tài)”，《冰川》雜志(Journal of Glaciology)，21(85)；547-57(1978)。
取L≈1nm(前面所描述的摻雜冰內(nèi)的主隔離(screening)長(zhǎng)度)，ε＝3.2(冰的高頻介電常數(shù))，VC＝0.5V(接觸電位的常用數(shù)值)，利用等式(1)可計(jì)算出Pel≈3.3Mpa，這個(gè)數(shù)值與冰的1.5Mpa的宏觀抗拉強(qiáng)度具有可比性，但是超過了冰的1.5Mpa的宏觀抗拉強(qiáng)度。參看Schulson等人的論文“在拉伸下冰的脆性—延性變化”，《自然科學(xué)》雜志(Phil.Mag.)，49，35363(1984)，這篇文章在此被引用為參考資料。
后面更為精密地計(jì)算了在冰面電荷與金屬之間的靜電相互作用能量，計(jì)算中利用了實(shí)際空間電荷分布和電荷弛豫(relaxation)計(jì)算結(jié)果。特別是，后面還指出了在溫度為-10℃時(shí)，靜電相互作用能量為0.01J/m2～0.5J/m2。下限0.01J/m2對(duì)應(yīng)于純凈冰；上限0.5J/m2對(duì)應(yīng)于重?fù)诫s冰。這些數(shù)值和下面所介紹的利用掃描力顯微術(shù)(SFM)所獲得的試驗(yàn)結(jié)果相比，具有可比性。掃描力顯微術(shù)的試驗(yàn)結(jié)果確定了靜電相互作用能量為0.08±0.012J/m2；而對(duì)于冰/汞界面的試驗(yàn)，因?yàn)楸?金屬的靜電粘接，回到了0.150±0.015J/m2，。
因?yàn)殪o電相互作用影響著冰的附著，因此，冰和導(dǎo)電材料(例如，金屬或半導(dǎo)體)之間的附著強(qiáng)度，能夠通過對(duì)冰—導(dǎo)電材料的界面施加外部直流偏壓來改變。
為了確定直流偏壓對(duì)冰附著強(qiáng)度的影響，建立了界面模型，即液態(tài)材料—固態(tài)材料的界面模型而不是固態(tài)材料—固態(tài)材料的界面模型。的確，當(dāng)一種材料是液態(tài)材料而另一種材料是固態(tài)材料時(shí)(例如，水—金屬)，可利用接觸角試驗(yàn)可靠地測(cè)定決定附著強(qiáng)度的界面能。因此，如果金屬是處于液相的話，就能夠?qū)Ρ饘俳缑媸褂妙愃频募夹g(shù)。例如，汞(熔點(diǎn)-38.83℃、化學(xué)活性低、表面易于清潔)，非常適用于驗(yàn)證這個(gè)模型；圖1A-1C表示小的直流偏壓對(duì)冰-汞界面的附著力的影響。
圖1A，表示汞18附著于冰20的原始狀態(tài)，附著強(qiáng)度用Θ0表示。Θ0代表在沒有施加電壓(即，V＝0)時(shí)的附著強(qiáng)度。圖1B表示在直流電源22施加-1.75V電壓時(shí)的合成附著強(qiáng)度Θ1。例如，電源22可以是蓄電池或其他直流電源。線路24將電源22接到汞18和冰20上，構(gòu)成電路。圖1C，表示在直流電源22施加-5V電壓時(shí)的合成附著強(qiáng)度Θ2。雖然施加的電壓是從0V(圖1A)到-1.75V(圖1B)到-5V(圖1C)各不相同，但值得注意的是Θ2＜Θ0＜Θ1，這表明負(fù)電壓的小范圍變動(dòng)會(huì)造成附著強(qiáng)度發(fā)生明顯的變化。與附著強(qiáng)度Θ2甚至是附著強(qiáng)度Θ1相比，附著強(qiáng)度Θ1較弱。與附著強(qiáng)度Θ1甚至是附著強(qiáng)度Θ0相比，附著強(qiáng)度Θ2較強(qiáng)。
為了測(cè)定圖1所示的冰-汞界面16的表面引力，使用了冰測(cè)壓計(jì)26(圖2為其示意圖)。直流電源22’被用作圖1所示的直流電源22。直流電流表28設(shè)置在測(cè)壓電路26之內(nèi)，用來測(cè)量電流。直流電源22’接到汞18’和網(wǎng)狀電極30上，網(wǎng)狀電極30與冰20’接合。因此，電路26被接通，電流流過汞18’和冰20’。冰20’和汞18’通過選定直徑的毛細(xì)管32相互連通。當(dāng)直流偏壓發(fā)生變化時(shí)，汞18’和冰20’之間的冰附著強(qiáng)度也將發(fā)生變化，重力將會(huì)調(diào)整在冰20’內(nèi)的汞18’的高度“h”(即，向上伸入冰20’的毛細(xì)管32內(nèi)的汞柱高度)。
具體地講，汞18’在毛細(xì)管32內(nèi)的平衡位置h是h≅2·(Wi/a-Wi/Hg)grρ-----(2)]]>公式中，g為重力加速度，r為毛細(xì)管半徑，p為汞的比重，Wi/a為冰-空氣界面的界面能，Wi/Hg為冰-汞界面的界面能。當(dāng)h被測(cè)定時(shí)，等式(2)用來計(jì)算Wi/a，由此，可計(jì)算出冰對(duì)液態(tài)金屬(汞)的附著強(qiáng)度。在測(cè)試中，圖2所示的毛細(xì)管的半徑r為0.25mm或0.5mm。
按照?qǐng)D1和圖2所示的結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行多項(xiàng)試驗(yàn)，其中包括利用純度為99.9998％的電子級(jí)汞和下述各種水制成的多晶冰非常純凈的去離子水；蒸餾水；未經(jīng)處理的自來水；去除離子的含有低濃度NaCl或KOH或HF的水。試驗(yàn)的溫度范圍為(-20℃～-5℃)±2℃，其中大部分試驗(yàn)時(shí)的溫度為-10℃、相對(duì)濕度為89～91％。需要指出的是，對(duì)摻雜的冰來說，直流偏壓對(duì)冰—汞的界面會(huì)有較大的影響。能量變化Δ(Wi/a-Wi/Hg)的大小和符號(hào)，不僅取決于偏壓極性及偏壓大小，還取決于摻雜劑的類型和濃度。例如，圖3是在溫度為-10℃、0.5％NaCl摻雜冰的條件下測(cè)定的Δ(Wi/a-Wi/Hg)與偏壓V的關(guān)系曲線圖。從圖可以看出，偏壓能夠降低或提高冰對(duì)汞的附著強(qiáng)度偏壓約為-1.75V時(shí)，附著強(qiáng)度最??；而偏壓在-2V到-6V的范圍內(nèi)，附著強(qiáng)度迅速提高。NaCl的濃度高于0.05％時(shí)，偏壓對(duì)界面能的影響較為明顯。
對(duì)低濃度NaCl摻雜的冰或利用自來水制作的冰來說，當(dāng)施加低的直流偏壓時(shí)，附著強(qiáng)度的變化極小，而且再現(xiàn)性差。相反，使用0.5％NaCl摻雜的冰，施加偏壓后，汞馬上就會(huì)移動(dòng)；而且過程完全是可逆的，即在斷開偏壓之后，Wi/Hg可恢復(fù)。這些結(jié)果是可以重現(xiàn)的，而且易于觀察到。對(duì)于半徑r＝0.25mm的毛細(xì)管來說，h的最大變動(dòng)量是12mm。
電流—電壓特性的測(cè)量結(jié)果還表明，上述附著強(qiáng)度的變化是由電壓而不是由電流引起的。例如，典型試驗(yàn)產(chǎn)生幾十個(gè)μA的電流強(qiáng)度；而且估算的溫度變化速度低于10-6℃/s。就摻雜KOH或HF的冰來說，施加直流偏壓會(huì)引起Wi/Hg出現(xiàn)幾乎對(duì)稱的降低，與NaCl摻雜冰相比，在數(shù)值上具有可比性。施加振幅高達(dá)40V、頻率范圍為10Hz～100Hz的交流電壓，不會(huì)引起Wi/Hg任何明顯的變化。就純凈水或蒸餾水來說，施加40V的直流偏壓也不引起Wi/Hg的明顯變化。要改變非常純凈的冰對(duì)金屬的附著強(qiáng)度，需要施加高達(dá)1kV～3kV的電壓。純凈冰和摻雜冰對(duì)直流偏壓的不同反應(yīng)，是因?yàn)槠涓綦x長(zhǎng)度和電子弛豫時(shí)間不同。
上述試驗(yàn)證明了在冰附著的狀態(tài)下，冰—金屬界面上的雙電荷層對(duì)冰附著強(qiáng)度所起到的重要作用。雖然對(duì)固態(tài)汞來說，Wi/Hg絕對(duì)數(shù)值與液態(tài)汞稍有不同，但不論對(duì)液態(tài)汞還是固態(tài)汞來說，其靜電相互作用基本相同。試驗(yàn)結(jié)果還表明，通過在冰和金屬之間施加一個(gè)小的電位差，即能夠有效地改變冰對(duì)金屬的附著強(qiáng)度。在施加相同直流偏壓的情況下，冰內(nèi)雜質(zhì)不同，固態(tài)金屬不同，溫度不同，附著強(qiáng)度也會(huì)發(fā)生變化。
發(fā)明者還根據(jù)冰面上質(zhì)子載流子的表面態(tài)，研究建立了冰附著強(qiáng)度的靜電模型。在大于分子間距的距離上，該模型給出的靜電附著力，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于化學(xué)鍵力(chemcal bonding energy)和范得華(van derWaals)力。另外，該模型還使人們能夠理解與時(shí)間和溫度有關(guān)的一些現(xiàn)象，這些現(xiàn)象能夠解釋冰和水的附著特性的不同；冰和其他固體材料粘接的物理機(jī)理；在冰和不同固體材料之間，分子鍵合的本質(zhì)及強(qiáng)度。
粘接機(jī)理可合理地分為三類共價(jià)鍵合或化學(xué)鍵合機(jī)理(化學(xué)鍵力)；電磁相互作用的擴(kuò)散或波動(dòng)(范德華力)；直接靜電相互作用(靜電力)。例如，參看Israelachvili的論文“分子間力和表面力”，第2版，學(xué)報(bào)(Academic Press)倫敦，第2章(1991)，這篇文章在此被引用為參考文獻(xiàn)。化學(xué)鍵合機(jī)理對(duì)應(yīng)于化學(xué)反應(yīng)和形成界面復(fù)合物。就共價(jià)鍵合或化學(xué)鍵合而言，附著力的產(chǎn)生是由于交互作用固體材料的波動(dòng)函數(shù)的重疊，造成系統(tǒng)量子力學(xué)能的降低。這種相互作用實(shí)際上僅存在于大約0.1nm～0.2nm的距離上。另外，這種類型的附著力還對(duì)固體材料的化學(xué)特性非常敏感。在充分接觸的情況下，化學(xué)鍵合機(jī)理能夠提供的附著力≤0.5J/m2，在化學(xué)鍵力、范德華力和靜電力中，化學(xué)鍵力被視為最小。
與化學(xué)鍵力相比，范德華力是遠(yuǎn)距離的，而且作用在所有物質(zhì)之間。范德華力只決定于固體材料的宏觀特性(不同頻率下的介電常數(shù))，因此，范德華力相當(dāng)不易受試驗(yàn)條件的影響。例如，參看Mahanty等人的論文“擴(kuò)散力”，學(xué)報(bào)(Academic Press)，倫敦，第9章(1976)；及Barash等人的論文“凝結(jié)系統(tǒng)的介電功能”，由Keldysh等人編輯，Elsiever科學(xué)(Elsiever Science)，阿姆斯特丹，第9章(1989)，這兩篇文章在此被引用為參考資料。
除了化學(xué)鍵力和范德華力之外，含有非補(bǔ)償電荷或空間分離電荷的兩種固體材料還會(huì)產(chǎn)生靜電力。最近，靜電力對(duì)附著強(qiáng)度的重要性已得以重新發(fā)現(xiàn)。參看Stoneham等人的文章“固態(tài)物理”，《物理化學(xué)》雜志(J.Phys.CSolid State Physics)，18，L543(1985)；及Hays的文章“附著原理”，編輯Lee.Lee，Plenum學(xué)報(bào)，紐約，第8章(1991)，這兩篇文章在此被引用為參考資料。冰附著特性的模型下面建立一個(gè)用來描述冰面電特性的模型。該模型揭示了冰附著特性與冰的其他特性之間的關(guān)系。將該模型與范德華力機(jī)理、化學(xué)鍵合機(jī)理及試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比較。
該模型的主要結(jié)論是靜電相互作用在冰附著中起重要作用(要不然就是主要作用)。模型的一個(gè)重要參數(shù)是靠近冰—固體材料界面的水分子的有序性，或換句話說，質(zhì)子載流子的表面態(tài)。這就將問題簡(jiǎn)化為一個(gè)模擬固體材料表面水分子狀態(tài)的問題。不過，下面的描述將假定存在著能夠被質(zhì)子點(diǎn)缺陷占有的表面態(tài)。表面態(tài)的占有率，取決于俘獲載流子的庫(kù)侖能量與表面態(tài)的能量深度之間的相互關(guān)系。因此，表面態(tài)(在非平衡情況下)的占有率或表面態(tài)的能量深度，將被取作為參數(shù)。
冰含有有極水分子，它們能夠與任何介電常數(shù)不同于冰的固體材料發(fā)生強(qiáng)烈的相互作用。另外，還有理論和試驗(yàn)證據(jù)可以證明冰存在著表面電荷。這種表面電荷也能夠與固體材料發(fā)生相互作用。這里，我們假定表面電荷是因冰面俘獲質(zhì)子載流子而產(chǎn)生。俘獲的缺陷假定為D缺陷、H3O+離子或質(zhì)子。正離子的尺寸小于負(fù)離子，原因是正離子的電子較少或根本就沒有電子，并以質(zhì)子的形式存在。因此，對(duì)于較小的距離，我們能夠應(yīng)用鏡像電荷原理，在較小的距離上，電荷及其鏡像電荷的勢(shì)能可能小于冰內(nèi)的電荷能量。對(duì)于尺寸較大的負(fù)離子來說，則難以達(dá)到這一點(diǎn)。在熱平衡的情況下，表面態(tài)的占有率并不理想，因?yàn)榉@載流子所引起的能量增益被靜電能量的提高所抵償。但是，由于固體材料內(nèi)的感應(yīng)電荷會(huì)引起電荷的重新分布，靜電能量也能夠被大大降低。這會(huì)導(dǎo)致理想的表面態(tài)占有率和相當(dāng)高的附著力(接近于靜電力)。
下面將描述冰表面下層內(nèi)的載流子的空間分布。泊松等式可以寫成 公式中，E和V分別是電場(chǎng)強(qiáng)度和靜電勢(shì)能(兩者均是空間坐標(biāo)z的函數(shù))；σ0＝eB·λ·N；eB是布杰拉姆(Bjerrum)缺陷的有效電荷；N是水分子的濃度；λ是由 確定的隔離長(zhǎng)度；ε和ε0分別是冰的介電常數(shù)(≈3.2)和真空的介電常數(shù)；k和T分別是玻耳茲曼常數(shù)和溫度。函數(shù)f(V)由下述列公式確定f(V)=1n(a(V))·a(-V)·b2(V)·b2(-V)------(4)]]>a(V)=exp(Ei/2kT)+(4/3)exp(e1V/kT)exp(Ei/2kT)+4/3-------(5)]]>b(V)=exp(EB/2kT)+exp(eBV/kT)exp(EB/2kT)+1------(6)]]>這里，我們使用布杰拉姆缺陷作為俘獲在表面態(tài)內(nèi)的載流子。等式(3)適用于冰晶體內(nèi)的任何一點(diǎn)。將公式(3)應(yīng)用于冰的表面，我們得到了表面電荷密度σs和表面勢(shì)能Vs之間的關(guān)系式σs＝σ0f(Vs)。
利用公式(3)到公式(6)，我們能夠計(jì)算出靜電對(duì)于冰附著能量的影響。靜電能量給出附著能量的上限，首先，計(jì)算出冰的屏蔽層的靜電能量，靜電能量是表面勢(shì)能的函數(shù)。利用靜電能量的定義和公式(3)，我們得到W(VS)=∫0∞ϵϵ02E2dx=-σ02·∫0∞f(V)·dVdxdx=σ02·∫0Vf(V)dV----(7)]]>現(xiàn)在，我們考慮在距離冰面為d的距離上有1塊金屬板。冰內(nèi)的非平衡電荷分布，將在金屬上感應(yīng)出電荷，從而，在冰和金屬板之間形成電場(chǎng)。系統(tǒng)單位面積的總靜電能量可用下面的公式表示W(wǎng)e(d,V)=σ02·d2ϵϵ0·[f(V)-σσ0]2+σ02·∫0Vf(V′)dV′-----(8)]]>等式(8)中的V是冰的表面勢(shì)能，必須根據(jù)距離d的每一個(gè)值的最小能量來求出。表面電荷密度可視為一個(gè)常數(shù)，這個(gè)常數(shù)對(duì)應(yīng)于表面態(tài)的非平衡占有率。對(duì)We(d，V)進(jìn)行最小化計(jì)算，我們推出單位面積的附著能量是距離d的函數(shù)Wa(d)＝Wmin(d)－Wmim(∞)(9)在平衡條件下，隨著距離d的減小，冰表面的電荷密度提高，這是因?yàn)榻饘侔迳细袘?yīng)電荷引起冰面電荷的屏蔽。在這種情況下，俘獲載流子的庫(kù)侖能量降低，從而使較高的占有率成為可能。就這種情況而言，首先必須求出靜電能量、因表面態(tài)占有率所造成的能量增益、熵(entropy)對(duì)表面缺陷的影響這三者的和F=dσ022ϵϵ0·[f(V)-σσ0]2+σ02·∫0Vf(V′)dV′-σe·E0+kTe·[σ·ln(σσm)+(σm-σ)·1n(1-σσm)](10)]]>公式中，E0為表面態(tài)的能量(假定E0＝-0.5eV)，σm＝e/S，S為水分子的表面面積。自由能F是在V和σ上進(jìn)行最小化計(jì)算得出。此時(shí)，還假定冰塊的化學(xué)勢(shì)能保持不變且等于零。對(duì)每個(gè)d值都進(jìn)行這一步計(jì)算，我們即可求出作為距離的函數(shù)或者平衡附著能量的函數(shù)的平衡自由能。
類似的方法使我們能夠求出冰的表面態(tài)平衡占有率或表面勢(shì)能，表面態(tài)平衡占有率或表面勢(shì)能是表面態(tài)能量E0的函數(shù)或溫度的函數(shù)。讓我們假定金屬板距離冰面無窮遠(yuǎn)。這時(shí)，為了使公式(8)中的第一個(gè)正單元為最小，假定σ＝σ0f(V)。這樣，F(xiàn)就變?yōu)榱艘粋€(gè)參數(shù)V或者σ的函數(shù)。這多少簡(jiǎn)化了在V上進(jìn)行的最終最小化計(jì)算，但也能夠以σ來重新計(jì)算結(jié)果。
根據(jù)載流子的類型和表面態(tài)的能量，附著能量一般為1.3J/m2～0.08J/m2。這個(gè)數(shù)值，與在-20℃溫度下冰—金屬界面附著能量的試驗(yàn)測(cè)量結(jié)果相比，相差不大，甚至高于試驗(yàn)測(cè)定的結(jié)果。實(shí)際上，靜電力和化學(xué)鍵力一樣高；但是，與化學(xué)鍵合機(jī)理相比，靜電機(jī)理的有效作用距離較大(約為10·roo；roo＝0.276nm)。因此，在距離大于roo的情況下，靜電機(jī)理的作用明顯大于化學(xué)鍵合機(jī)理。從而，在距離大于roo的情況下，如果哈梅克常數(shù)等于3·10-20J，則靜電力超過了范德華力。需要注意的是，最后的這個(gè)估算值是涉及冰—冰界面，而不是冰—金屬界面。在冰和金屬之間相互作用的有效作用距離遠(yuǎn)的范德華力，也能夠被考慮。
在表面電荷密度最大的情況下，即使z≈90·roo，附著力也等于0.01J/m2，這表明了遠(yuǎn)距離特性。非平衡分離試驗(yàn)的附著力，應(yīng)當(dāng)高于附著試驗(yàn)的附著力。后者能夠通過在冰和金屬接觸時(shí)，金屬板的靜電力的有效屏蔽來解釋。從而，也就易于理解在平衡試驗(yàn)中附著力隨距離的變化。在較小的距離上，金屬板屏蔽靜電能量，并因表面態(tài)占有率高，而具有較高的靜電能量。但是，當(dāng)距離增大時(shí)，靜電力也提高，從而造成較低的占有率和較低的表面電荷密度。這些特性曲線說明了自由能隨距離的增大而迅速衰減。
另外，對(duì)于D缺陷的表面態(tài)模型，還考慮了到了占有率(表面態(tài)能量ES的函數(shù))的特性。當(dāng)ES≈0.1eV時(shí)，占有率接近于零。載流子被俘獲到帶有正電能量的表面態(tài)之內(nèi)的一個(gè)原因，與自由能的熵增益有關(guān)。出于同樣的原因，冰塊內(nèi)還存在缺陷。值得注意的是，對(duì)于冰塊的D缺陷來說，每個(gè)缺陷的“形成能量”等于0.34eV，大大高于0.1eV。這最終導(dǎo)致了冰塊表面態(tài)的占有率約為3·10-7。
冰附著還會(huì)出現(xiàn)隨時(shí)間變化的現(xiàn)象，這些隨時(shí)間變化的現(xiàn)象為上述模型所固有。為了進(jìn)入或離開表面態(tài)，缺陷必須克服一些靜電障礙，這會(huì)導(dǎo)致非平衡態(tài)和隨時(shí)間變化的現(xiàn)象。
該模型的一個(gè)重要組成部分是冰表面電荷與金屬內(nèi)感應(yīng)電荷之間的靜電吸引，這個(gè)機(jī)理也適用于冰—絕緣體界面，只是感應(yīng)電荷的數(shù)量不同。冰表面態(tài)的電荷q，將在金屬內(nèi)感應(yīng)產(chǎn)生“鏡像電荷”-q；而同樣的電荷q，將根據(jù)下面的關(guān)系式在絕緣體內(nèi)感應(yīng)產(chǎn)生一個(gè)較小的“鏡像”電荷q’q,=-q·ϵ-1ϵ+1-------(11)]]>公式中，ε為絕緣體的介電常數(shù)。就大多數(shù)固體絕緣材料來說，ε遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于1，而且絕緣材料內(nèi)的感應(yīng)電荷與金屬內(nèi)的感應(yīng)電荷具有可比性。ε越小，則靜電附著力也越小。例如，聚四氟乙烯的介電常數(shù)ε＝2.04；而且眾所周知，它對(duì)冰具有低的附著力。
考慮為什么冰比水的附著力高，是有益處的。由于水中載流子的濃度較高，水中表面電荷(如果存在的話)的屏蔽比冰內(nèi)表面電荷更為有效(對(duì)應(yīng)的原始靜電能量，大大低于冰)。因此，固體材料形成的電場(chǎng)的屏蔽，不能大大削弱靜電能量。需要注意的是，當(dāng)溫度接近于冰的熔點(diǎn)時(shí)，一個(gè)薄的液狀層可能出現(xiàn)在冰—固體材料的界面上。參看Dash等人，Rep.Prog.Phys.58.115(1995)，這篇文章在此被引用為參考資料。因此，該模型還能夠被改進(jìn)成為包括表面預(yù)熔對(duì)冰附著強(qiáng)度的影響。
上述冰附著靜電模型說明了冰面電特性與冰附著強(qiáng)度之間的相互關(guān)系。模型給出了附著能量的正確數(shù)量級(jí)。在距離大于分子間距的情況下，冰和金屬之間的靜電相互作用所產(chǎn)生的靜電力，大大高于化學(xué)鍵力和范德華力。另外，模型還使人們能夠直觀地了解隨時(shí)間和溫度變化的、有助于解釋冰和水附著特性差異的各種現(xiàn)象。
圖4表示當(dāng)界面(在冰69和金屬71之間)被加載而出現(xiàn)界面裂紋時(shí)，氣泡67起到了降低界面附著強(qiáng)度的作用。
圖5(和剖視圖6)表示根據(jù)本發(fā)明設(shè)計(jì)的系統(tǒng)100。系統(tǒng)100用來降低在材料104的表面104a上的結(jié)冰102的冰附著強(qiáng)度。系統(tǒng)100構(gòu)成一個(gè)電路，電路中包含材料104、導(dǎo)電格柵106(包括格柵上的解說點(diǎn)“A”～“F”)、電源109。導(dǎo)電格柵106懸置于表面104a的上方，以使導(dǎo)電格柵106和材料104絕緣。
在本發(fā)明的一個(gè)最佳實(shí)施例中，導(dǎo)電格柵106懸置于表面104a的上方，可通過在導(dǎo)電格柵106與表面104a之間使用絕緣格柵108來實(shí)現(xiàn)。圖6較為詳細(xì)地示出了絕緣格柵108。為了說明絕緣格柵108和導(dǎo)電柵格106之間的相互關(guān)系，圖6并沒有按比例繪制。實(shí)際上，導(dǎo)電格柵106和絕緣格柵108的厚度(就圖6的輪廓來說)，可以遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于1英寸(甚至可以薄到0.010英寸～0.020英寸)；而且可將其視為“涂層”。例如，絕緣格柵108可以利用絕緣涂料薄涂層來制成；導(dǎo)電柵格106可以利用導(dǎo)電涂料薄涂層來制成。接通導(dǎo)電柵格106，使其作為一個(gè)電極。這樣，材料104就成為電路中的一個(gè)電極；而導(dǎo)電格柵106就成為電路中的另一個(gè)電極。
導(dǎo)電格柵106和絕緣格柵108，在表面104a上，也可以是柔性成形的格柵，雖然附圖所給出的表面104a是一個(gè)平面，但它可以代表任何形狀的表面。例如，材料104能夠代表飛機(jī)或汽車風(fēng)擋玻璃；導(dǎo)電格柵106和絕緣格柵108貼合于結(jié)構(gòu)材料104上。
當(dāng)表面104a上產(chǎn)生冰102時(shí)，由于冰是一種半導(dǎo)體(如前所述)，系統(tǒng)100的電路被接通。當(dāng)電路接通時(shí)，電源109即提供一個(gè)直流偏壓，施加在冰102和材料104之間的界面上。直流偏壓通常小于幾伏；因此，蓄電池即可用作電源109。
偏壓的大小，根據(jù)系統(tǒng)的使用場(chǎng)合來決定。對(duì)汽車風(fēng)擋玻璃或飛機(jī)機(jī)翼來說，偏壓的選擇是以實(shí)現(xiàn)最小(或接近最小)的冰附著強(qiáng)度為目標(biāo)，以便于從材料104上除去冰102。
在系統(tǒng)100的電路中，最好還連接一個(gè)電壓調(diào)節(jié)子系統(tǒng)112。正如下面所詳細(xì)描述的那樣，電壓調(diào)節(jié)子系統(tǒng)112反饋控制電路及電源，以便最佳地提高或降低直流偏壓。例如，電壓調(diào)節(jié)子系統(tǒng)可含有電路和微處理器112a，以測(cè)定來自電路的數(shù)據(jù)和確定冰102的導(dǎo)電性(和/或溫度)。這些測(cè)量結(jié)果被電壓調(diào)節(jié)子系統(tǒng)用來產(chǎn)生能夠有效地改變所施加直流偏壓大小的信號(hào)。具體地說，在一個(gè)實(shí)施例中，電源109對(duì)信號(hào)做出響應(yīng)，在冰-金屬界面施加正確的電壓。直流偏壓值可存儲(chǔ)在電壓調(diào)節(jié)子系統(tǒng)內(nèi)的存儲(chǔ)器112b中，存儲(chǔ)器112b中存有一個(gè)基于試驗(yàn)數(shù)據(jù)建立的查閱表。例如，導(dǎo)電性為“X”的冰(最好實(shí)時(shí)地通過子系統(tǒng)來測(cè)定)在與導(dǎo)電性為“Y”的材料104相接觸時(shí)(針對(duì)指定用途來說，當(dāng)系統(tǒng)100接入材料104時(shí)，材料104的導(dǎo)電性“Y”是一個(gè)已知的既定數(shù)值)，可通過使用存儲(chǔ)器112b內(nèi)的查閱表來確定施加到冰—金屬界面上的偏壓大小。
柵狀電極106最好是有一定的柵間距，以確保(盡可能地確保)在表面104a上形成的冰102至少能夠接觸到柵狀電極106的一部分。例如，參看圖5，冰102接觸到了柵狀電極106的一部分(點(diǎn)“C”～“E”包含在其中)。當(dāng)冰102在柵狀電極106的一部分和材料電極104之間造成“短路”時(shí)，系統(tǒng)100的電路即被接通。
柵狀電極106的導(dǎo)電區(qū)域(例如，圖5中的區(qū)域114)之間的柵格間距，應(yīng)當(dāng)根據(jù)具體使用場(chǎng)合來確定。例如，如果表面104a是飛機(jī)機(jī)翼的表面，則間距可以相對(duì)較小，以保證足夠的電流密度通過低導(dǎo)電性大氣結(jié)冰。但對(duì)于導(dǎo)電性較高的河冰和海冰，如果需要的話，導(dǎo)電區(qū)域114可以較大。
圖7表示根據(jù)本發(fā)明設(shè)計(jì)的系統(tǒng)130。系統(tǒng)130的一個(gè)電極為飛機(jī)機(jī)翼132。飛機(jī)機(jī)翼132連接地線134。直流電源136連接直流電流表138。直流電流表138連接感應(yīng)器140。感應(yīng)器140通過線路141連接到導(dǎo)電涂料142(或與機(jī)翼整合的其他等效導(dǎo)電材料)上，導(dǎo)電涂料142(或與機(jī)翼整合的其他等效導(dǎo)電材料)涂敷在設(shè)置于機(jī)翼132上的絕緣層144的上面。
絕緣層144和導(dǎo)電涂料142最好像圖5所示的那樣，排列為格柵的型式。根據(jù)除冰要求，施加的電壓通常被控制在5V～50V之間，格柵區(qū)域的對(duì)應(yīng)電流從不到1A/m2～100A/m2。
本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)知道，市場(chǎng)上有種類繁多的絕緣漆144＇和導(dǎo)電涂料142；只有在進(jìn)行結(jié)冰模擬試驗(yàn)之后，才會(huì)選定具體品牌的絕緣漆144＇和導(dǎo)電涂料142。另外，導(dǎo)電格柵145的最佳柵間距(即，圖5所示的區(qū)域114)也應(yīng)當(dāng)根據(jù)試驗(yàn)來確定或?qū)唧w設(shè)計(jì)進(jìn)行分析之后來確定。
進(jìn)一步參看圖7，直流電流表138還可以連接反饋?zhàn)酉到y(tǒng)150。反饋?zhàn)酉到y(tǒng)150本身又連接到直流電源136，以便根據(jù)冰的導(dǎo)電性和溫度等特性，“控制”施加到冰-機(jī)翼界面上的直流偏壓。為此，最好給系統(tǒng)130連接溫度傳感器152，用來測(cè)定冰154的溫度。
系統(tǒng)130的進(jìn)一步的特征包括交流電源156(工作頻率大約在10kHz～100kHz之間)，交流電源156連接交流電流表158，交流電流表158連接導(dǎo)電涂料142。交流電流表158和直流電流表138均連接到電流比較器160。
系統(tǒng)130還能夠引入結(jié)冰報(bào)警子系統(tǒng)162。例如，電流比較器160可連接到結(jié)冰報(bào)警子系統(tǒng)162和反饋?zhàn)酉到y(tǒng)150上，以啟動(dòng)某些事件，下面就對(duì)這方面的內(nèi)容進(jìn)行介紹。
直流電流表138能夠用來測(cè)定電路130的直流導(dǎo)電性。直流導(dǎo)電性的測(cè)量信號(hào)被提供給反饋?zhàn)酉到y(tǒng)150和電流比較器160，反饋?zhàn)酉到y(tǒng)150隨后調(diào)節(jié)由直流電源136提供的電流。
交流電流表158能夠用來測(cè)定電路130的交流導(dǎo)電性(例如，交流電源的頻率范圍為10kHz～100kHz)。交流導(dǎo)電性的測(cè)量信號(hào)被提供給電流比較器160(并可選擇提供給反饋?zhàn)酉到y(tǒng)150，以進(jìn)行模/數(shù)變換和數(shù)據(jù)處理)。系統(tǒng)103利用直流導(dǎo)電性和交流導(dǎo)電性的比較結(jié)果，確定出是水還是冰引起的電路“短路”和接通。具體地講，與水相比，冰的交流導(dǎo)電性與直流導(dǎo)電性之比，要高2～3個(gè)數(shù)量級(jí)，從而電流比較器160可提供一個(gè)易于確定出是冰還是水將電路接通的信號(hào)測(cè)定結(jié)果。
因此，當(dāng)機(jī)翼132結(jié)冰時(shí)，電流比較器160給反饋?zhàn)酉到y(tǒng)150發(fā)送信號(hào)，反饋?zhàn)酉到y(tǒng)150隨后指示直流電源136提高或降低作用在冰-機(jī)翼界面上的直流偏壓。直流偏壓數(shù)值的選定(通常為1V～6V)，是以將冰154在機(jī)翼132上的冰附著強(qiáng)度降低到最小為目的。
當(dāng)機(jī)翼132上的結(jié)冰被除去時(shí)，電流比較器160接受到的信號(hào)差異降低到低于預(yù)設(shè)數(shù)值；而且電流比較器160撤銷結(jié)冰報(bào)警162。同時(shí)，電流比較器160給反饋?zhàn)酉到y(tǒng)150發(fā)送信號(hào)，反饋?zhàn)酉到y(tǒng)150隨后指示直流電源136將偏壓降低到原始數(shù)值。
總的來說，交流電流表158和直流電流表138用來確定在柵狀電極142和機(jī)翼132之間造成短路的材料的導(dǎo)電性。圖7中所示的材料是冰154。系統(tǒng)130能夠以自動(dòng)模式區(qū)別冰和水。感應(yīng)器140阻止交流電壓進(jìn)入電路的“直流”部分，“直流”部分應(yīng)當(dāng)被精確控制，以改變冰的附著強(qiáng)度。反饋?zhàn)酉到y(tǒng)150可以而且最好具有微處理器和存儲(chǔ)器，用來根據(jù)反饋數(shù)據(jù)(例如，冰的溫度和導(dǎo)電性和/或純度)，指揮和控制直流電源136，以提供近乎最佳的直流偏壓。反饋電路最好以如下水平來提高或降低直流偏壓在接收到結(jié)冰報(bào)警子系統(tǒng)162的結(jié)冰報(bào)警信號(hào)之后，在冰-機(jī)翼的界面上，以電流密度約為0.1mA/cm2(或約為1mA/in2)的水平來提高或降低直流偏壓。對(duì)于一般的大型飛機(jī)來說，對(duì)應(yīng)于10A～30A左右的電流所需要消耗的總能量約為100瓦～500瓦。
因此，圖7所示電路中的“直流”部分，主要是用來在冰-機(jī)翼界面上提供直流偏壓，另外，如果需要的話，還能夠用來測(cè)定冰154的直流導(dǎo)電性。圖7所示電路中的“交流”部分主要用來測(cè)定冰154的交流導(dǎo)電性。圖7所示電路中的其他部分(a)感應(yīng)器，用于阻止信號(hào)在交流部分和直流部分之間的耦合；(b)反饋、測(cè)量及控制電路，根據(jù)發(fā)現(xiàn)結(jié)冰(與水相比)和/或測(cè)定的反饋參數(shù)(例如，冰的溫度及導(dǎo)電性)，控制直流偏壓。
圖8表示本發(fā)明的一個(gè)最佳實(shí)施例，用于減少或去除輸電線700上的冰。圖9為根據(jù)本發(fā)明設(shè)計(jì)的輸電線700的剖視圖。正如本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員所知道的那樣，標(biāo)準(zhǔn)輸電線702在電場(chǎng)(E-field)非常高(例如，每英寸10000V)的情況下，傳輸頻率為60Hz的交流電。根據(jù)本發(fā)明，給輸電線702涂敷厚度為“t”的涂層704。
在一個(gè)實(shí)施例中，涂層704采用公知的鐵電材料。鐵電材料實(shí)質(zhì)上是表現(xiàn)出如下特性的陶瓷材料在某些條件下，呈現(xiàn)出非常高的介電常數(shù)(例如，10000)和非常高的介電損耗(例如，tanδ≌10)；而在其他條件下，則呈現(xiàn)出較低的介電常數(shù)(3～5)和較低的介電損耗。溫度是能夠使介電常數(shù)發(fā)生變化的一個(gè)條件。選擇的材料最好是在冰點(diǎn)溫度之上，介電常數(shù)低，在冰點(diǎn)溫度之下，介電常數(shù)高。當(dāng)環(huán)境溫度降低到低于冰點(diǎn)溫度時(shí)，因高介電常數(shù)和高介電損耗而產(chǎn)生的交流電場(chǎng)將對(duì)涂層進(jìn)行加熱。
本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)知道，上述實(shí)施例是能夠自調(diào)節(jié)的，可將涂層溫度保持在接近于(或稍高于)冰熔點(diǎn)溫度的水平。如果涂層被輸電線的電場(chǎng)過分加熱，則輸電線的電場(chǎng)自動(dòng)進(jìn)行從鐵電態(tài)到標(biāo)準(zhǔn)態(tài)的相變換，此時(shí)，涂層停止吸收電場(chǎng)能量。因此，通過選擇相變換的溫度，就能夠調(diào)整涂層的溫度，從而可滿足不同用戶的需要和環(huán)境條件。
涂層704在有交流電場(chǎng)的情況下(例如，由線路702產(chǎn)生的交流電場(chǎng))，才會(huì)產(chǎn)生熱量。具體地講，它表現(xiàn)為在交流周期上產(chǎn)生熱量的磁滯現(xiàn)象；涂層產(chǎn)生熱量起因于輸電線702的波動(dòng)電場(chǎng)。
厚度“t”通常大約為1mm～10mm，不過，根據(jù)采用的材料和希望產(chǎn)生的熱量，也可以采用其他的厚度值。例如，通過改變厚度，能夠?qū)⒈砻?04a的溫度提高1℃～10℃或者更高。厚度“t”的選定，是根據(jù)所希望產(chǎn)生的熱量值(即，足以熔化輸電線700的表面704a上的冰和雪的熱量值)。
當(dāng)涂層呈現(xiàn)為低的介電常數(shù)和低的介電損耗時(shí)(即，涂層溫度高于冰點(diǎn)溫度或所希望的其他某個(gè)溫度時(shí))，涂層704所產(chǎn)生的熱量大大減小，從而，輸電線702消耗的能量也大大減少。
涂層704還能夠使用具有相同或類似效果的鐵磁材料。在采用鐵磁材料涂層的情況下，涂層吸收由輸電線所產(chǎn)生的磁場(chǎng)能量。
更具體地講，在鐵電材料位于波動(dòng)的交流電場(chǎng)中時(shí)，鐵電材料被因介電損耗而產(chǎn)生的交流電場(chǎng)所加熱。每立方米的供熱能量為W=ωϵ′ϵ04πtanδ(E2-)------(12)]]>公式中，ε＇為相對(duì)介電常數(shù)(就一般的鐵電材料來說，ε＇通常約為104)，ε0為自由空間的介電常數(shù)(ε0＝8.85E-12F/m)，ω為交流電場(chǎng)的角頻率(ω＝2πf，其中，f為輸電線中交流電的頻率，例如，在傳統(tǒng)的輸電線中為60Hz)，tanδ為介電損耗的正切， 為電場(chǎng)的均方。
鐵電材料的特性是在溫度低于居里溫度(Tc)時(shí)，ε＇的數(shù)值和tanδ的數(shù)值非常高；在溫度高于居里溫度(Tc)時(shí)，ε＇的數(shù)值和tanδ的數(shù)值較小。因此，在溫度低于和接近Tc時(shí)，介電損耗(或交流電場(chǎng)的供熱能力)非常高；而在溫度高于Tc時(shí)，介電損耗(或交流電場(chǎng)的供熱能力)則大大下降(例如，下降106)。這就使得居里溫度接近或稍高于熔點(diǎn)溫度的鐵電材料成為了涂層704的最佳選擇。當(dāng)外界溫度低于熔點(diǎn)溫度Tm時(shí)，這類涂層吸收電能，并被電場(chǎng)加熱到高于Tm的溫度，結(jié)果，涂層又轉(zhuǎn)變?yōu)槌Ｒ姷慕^熱體(即，不再大量吸收電場(chǎng)能量)。
因此，在這類涂層位于波動(dòng)的交流電場(chǎng)中時(shí)，鐵電材料保持一個(gè)接近或稍高于Tm的恒定溫度。將這種自調(diào)節(jié)機(jī)理應(yīng)用于防止結(jié)冰是非常經(jīng)濟(jì)的；另外，還可以通過改變涂層厚度和/或給涂層增加中性(非鐵電)絕緣涂料或塑料，提高或降低每米輸電線(或每平方米的任何被保護(hù)表面)的最大供熱能量。根據(jù)本發(fā)明，適用的鐵電材料包括
表3鐵電材料

下面以Pb3MgNb2Og為例，計(jì)算其供熱能力。在這個(gè)例子中，中距離輸電線

電線直徑1cm＝2×半徑。電線表面的電場(chǎng)強(qiáng)度為E=V1n(Lr)*r≈3x105V/m-----(13)]]>或3kV/cm，公式中，L為電線間的距離(L＝1m)。將上述

ω＝2π×60Hz，ε＇＝104，tanδ＝10，代入公式即可計(jì)算出W(1mm，60Hz)＝4.5E5W/m3。這樣，例如，1mm厚的薄膜即產(chǎn)生450W/m2，這足以超過一般的除冰要求。
當(dāng)作用于輸電線時(shí)，在涂層內(nèi)消耗的最大能量受到電線之間電容C2的限制WmaxωC22·V2-------(14)]]>
對(duì)于厚度為2cm、電線間距為1m的電線來說， 在輸電線V＝350kV時(shí)， 這個(gè)能量足以保證1m長(zhǎng)的電線不會(huì)結(jié)冰。
除了鐵電材料之外，幾乎任何半導(dǎo)體材料的涂層也能夠產(chǎn)生類似的效果。為了獲得等式(24)的最大性能值，涂層的介電導(dǎo)電系數(shù)σ應(yīng)當(dāng)滿足下面的條件σ≈εε0ω(15)公式中，ε為涂層的介電常數(shù)，ε0為自由空間的介電常數(shù)。對(duì)于ε≈10和60Hz交流電輸電線來說，σ≈3.4E-8(ohm.m)-1。對(duì)于許多非摻雜半導(dǎo)體和低品質(zhì)絕緣體來說，這種導(dǎo)電性非常具有代表性。因此，這種涂層并不貴(一些涂料符合制作這種涂層的質(zhì)量要求)。此外，這種涂層也能夠?qū)崿F(xiàn)如前所述的同樣的溫度“調(diào)諧”，這是由于半導(dǎo)體材料的導(dǎo)電性很強(qiáng)烈地隨溫度而變化(例如，按指數(shù)關(guān)系變化)。因此，根據(jù)等式(22)，最佳條件僅能夠在一個(gè)非常小的溫度范圍內(nèi)被滿足(例如，-10℃≤T≤10℃)，在最佳條件下，涂層將能夠把冰熔化掉，另外，消耗能量也極少。
本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)知道，其他表面(例如，本文中所描述的其他表面)也能夠用這類涂層進(jìn)行處理。例如，將這種涂層應(yīng)用于飛機(jī)機(jī)翼，通過給涂層加交流電，特別是根據(jù)等式(19)來增加交流電，也能夠使其具備熔化冰的能力。以Pb3MgNb2Og為例來說，頻率100Hz的交流電將能夠把1mm厚的涂層加熱到W(1mm，100Hz，3E5V/m)＝750kW/m2。
因此，本發(fā)明能夠?qū)崿F(xiàn)前面陳述的各種目標(biāo)，這些目標(biāo)在前面的描述中一目了然。因?yàn)樵诓黄x本發(fā)明的情況下，能夠?qū)η懊娴脑O(shè)備和方法進(jìn)行一些改進(jìn)，因此，前面描述的所有內(nèi)容和附圖所示的內(nèi)容僅是示例性的說明，并不是狹義的說明。
例如，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)知道，象圖5中所示的柵狀電極，也能夠應(yīng)用于其他多種表面，包括房屋頂、石油管線、公路及其它易于積冰的表面。
圖10表示本發(fā)明的利用滲透層的一個(gè)實(shí)施例。滲透材料層2904附在表面2902上。第一個(gè)絕緣層2906和第二個(gè)絕緣層2908附在滲透材料層2904上。第一電極2910附在第一個(gè)絕緣層2906上。第二電極2912附在第二個(gè)絕緣層2908上。冰2914覆蓋了滲透材料層2904、第一個(gè)絕緣層2906、第二個(gè)絕緣層2908、第一電極2910及第二電極2912。
滲透層2904的材料，可以是帶有孔隙的可注入添加劑來釋放離子進(jìn)入冰2914的任何材料。滲透層2904的材料可以是任何一種多孔陶瓷、金屬或合金。在一些實(shí)施例中，滲透層2904可以是非常薄的一層(例如，表面2902上的涂層)。滲透層2904的材料舉例如下(1)燒結(jié)金屬構(gòu)成的滲透多孔電極；參看Vilar等人的論文“燒結(jié)金屬構(gòu)成的滲透多孔電極-流體動(dòng)力學(xué)和質(zhì)量傳遞”，加拿大《化學(xué)工程》雜志(Canadian Journal Of Chemical Engineering)，76(1)41-50(1998)，這篇文章在此被引用為參考資料；(2)可充電蓄電池的多孔石墨-夾層系統(tǒng)；參看Barsukov的論文“可充電蓄電池的多孔石墨-夾層系統(tǒng)”，《新材料》共軛雙接合系統(tǒng)(New MaterialsConjugated Double Bond Systems)，191265-268(1995)，這篇文章在此被引用為參考資料；以及(3)含有金屬添加劑的多孔鐵電極；參看Jayalakshmi等人的論文“多孔鐵電極的電化特性”，《印度科學(xué)-化學(xué)科學(xué)協(xié)會(huì)論文集》(Proceedings Of The Indian Academy Of Sciences-Chemical Sciene)，103(6)753-761(1991)，這篇文章在此被引用為參考資料。
滲透材料層2904浸透有添加劑的水溶液，以提高導(dǎo)電性。添加劑可以是堿、酸或鹽。例如，KOH、HF、NaCl及KCl電解溶液。當(dāng)滲透材料層2904和冰2914(或過冷水滴)接觸時(shí)，滲透材料層2904釋出少量添加劑給冰。添加劑給冰注入離子。這時(shí)，因添加劑的存在，冰的導(dǎo)電性提高。在非常寒冷的條件下(例如，在飛機(jī)飛行的高海拔條件下)，冰是非常純凈的和/或非導(dǎo)電的。此時(shí)，可通過使用滲透材料層2904，來提高純凈冰的導(dǎo)電性和在極低溫度下的冰的導(dǎo)電性。通過給滲透材料層2904加注含有添加劑的水溶液，即可以給滲透材料層2904補(bǔ)充添加劑。
第一電極2910和第二電極2912，在施加偏壓時(shí)，對(duì)極性沒有要求。在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，第一電極2910和第二電極2912均為多孔型，可以像滲透材料層2904那樣，釋放出少量添加劑給2914。在本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例中，第一電極2910和第二電極2912可以做成任何形狀(例如，格柵)。為了清晰起見，這些實(shí)施例并沒有在圖29中給出。第一個(gè)絕緣層2906和第二個(gè)絕緣層2908，可以是能夠阻止電極2910和電極2912與滲透材料層2904短路接通的任何材料。
工作時(shí)，在第一電極2910和第二電極2912之間施加一個(gè)電壓。第一個(gè)絕緣層2906和第二個(gè)絕緣層2908，阻止第一電極2910和第二電極2912與滲透材料層2904短路接通。在滲透材料層2904上開始出現(xiàn)結(jié)冰2914時(shí)，滲透材料層2904釋放添加劑給冰2914，以提高冰的導(dǎo)電性。第一電極2910和第二電極2912之間的電壓，將降低冰2914的冰附著強(qiáng)度，并將冰2914熔化。
圖11表示從輸電線3000上除冰的一個(gè)實(shí)施例。輸電線3000懸于地面3002之上。輸電線3000包有鐵電材料、鐵磁材料或半導(dǎo)體材料涂層，這些材料的介電損耗或磁損耗與溫度具有適當(dāng)?shù)年P(guān)系。當(dāng)溫度達(dá)到輸電線涂層的啟動(dòng)溫度時(shí)，輸電線3000的涂層即通過降低冰的附著強(qiáng)度來除去冰。
輸電線3000流過電流，這會(huì)產(chǎn)生電場(chǎng)或磁場(chǎng)。當(dāng)溫度達(dá)到輸電線涂層的啟動(dòng)溫度時(shí)，輸電線3000的涂層即對(duì)電場(chǎng)或磁場(chǎng)做出響應(yīng)，除去輸電線上的結(jié)冰。
圖12表示本發(fā)明利用自組裝單層(SAM)的一個(gè)實(shí)施例。鉻箔3104附在石英基底3102上。金箔3106附在鉻箔3104上。自組裝單層3108附在金箔3106上。水滴或冰點(diǎn)3110在自組裝單層3108上。直流電源3112連接水滴或冰點(diǎn)3110和靜電計(jì)3114。靜電計(jì)3114連接金箔3106。
在直流電源3112的直流偏壓和自組裝單層3108的疏水性發(fā)生變化時(shí)，靜電計(jì)3114以庫(kù)侖計(jì)的工作模式來測(cè)定界面電荷密度。在不施加外部直流電壓的情況下，水和疏水性自組裝單層3108之間的接觸角在98°～104°度之間，水和親水性自組裝單層3108之間的接觸角為36°～38°之間。當(dāng)自組裝單層3108的疏水性和親水性發(fā)生變化時(shí)，水對(duì)自組裝單層3108的附著強(qiáng)度是從130mJ/m2到54mJ/m2。
當(dāng)施加-4.5V的電壓時(shí)，水和疏水性自組裝單層3108之間的接觸角為40°。水對(duì)自組裝單層3108的附著強(qiáng)度是從59.5mJ/m2到127mJ/m2。
自組裝單層3108的制備，使用鍍金面的光學(xué)鏡。就疏水性樣品而言，通過在1L甲醇或乙醇中溶解138.8uL的1-十二烷硫醇[CH3(CH2)11SH]，配制1mM的試劑儲(chǔ)備溶液；就親水性樣品而言，通過在1L甲醇中溶解0.2044guL的11-氫硫基-1-十一烷醛[HO(CH2)11SH]，配制1mM的試劑儲(chǔ)備溶液。為了使自組裝單層3108具有確定的疏水性和親水性，要根據(jù)需要按照一定比例混合這兩種溶液。
為了制備自組裝單層3108，金箔3106用乙醇進(jìn)行漂洗，而后，再用氮?dú)怙L(fēng)干。然后，將金箔3106放置到前面針對(duì)確定疏水性和親水性而配制的適當(dāng)溶液中，浸泡12小時(shí)～36小時(shí)。將金箔3106從溶液中取出，用乙醇漂洗5～10次。最后，金箔3106用氮?dú)怙L(fēng)干10～15秒。
權(quán)利要求
1.一種用來在物體表面結(jié)冰時(shí)改變冰附著強(qiáng)度的系統(tǒng)，包括一個(gè)與物體絕緣的電極；一個(gè)直流電源，連接到物體和電極上，以便在冰和物體之間的界面上產(chǎn)生直流偏壓；電極具有多孔材料，用來給冰摻入添加劑，以提高冰的導(dǎo)電性；直流偏壓具有一個(gè)電壓，該電壓與零偏壓相比，能夠有選擇性地改變冰的附著強(qiáng)度。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，進(jìn)一步包括絕緣材料，位于物體和電極之間，絕緣材料的形狀與電極基本上相同。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中，電極包括柵狀電極，其形狀與物體的表面一致，柵狀電極的每一個(gè)點(diǎn)均和電源接通。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的系統(tǒng)，進(jìn)一步包括柵狀絕緣材料，位于物體和柵狀電極之間。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，進(jìn)一步包括一個(gè)直流電流表，該直流電流表連接在具有電極和電源的電路中，用來測(cè)量冰的直流導(dǎo)電性。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的系統(tǒng)，進(jìn)一步包括一個(gè)交流電源和一個(gè)交流電流表，連接在具有電極和電源的電路中，用來測(cè)量冰的交流導(dǎo)電性。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的系統(tǒng)，其中，交流電源產(chǎn)生一種或多種在大約10kHz～100kHz之間的頻率。
8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的系統(tǒng)，進(jìn)一步包括一個(gè)電流比較器，該電流比較器連接直流電流表和交流電流表，用來產(chǎn)生一個(gè)代表直流導(dǎo)電性與交流導(dǎo)電性之比的信號(hào)。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的系統(tǒng)，進(jìn)一步包括一個(gè)反饋?zhàn)酉到y(tǒng)，用來評(píng)定信號(hào)，并確定是水還是冰引起電極和物體短路。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的系統(tǒng)，進(jìn)一步包括一個(gè)溫度傳感器，用來測(cè)量冰的溫度，并將代表冰的溫度的信號(hào)傳送給反饋?zhàn)酉到y(tǒng)。
11.根據(jù)權(quán)利要求9所述的系統(tǒng)，進(jìn)一步包括一個(gè)結(jié)冰報(bào)警子系統(tǒng)，該子系統(tǒng)根據(jù)冰的交流導(dǎo)電性與直流導(dǎo)電性之比的預(yù)定數(shù)值來探測(cè)物體表面的結(jié)冰，一旦探測(cè)到結(jié)冰，該報(bào)警子系統(tǒng)即啟動(dòng)系統(tǒng)。
12.一種用來在物體表面結(jié)冰時(shí)改變冰附著強(qiáng)度的系統(tǒng)，包括一個(gè)與物體絕緣的電極；一個(gè)直流電源，連接到物體和電極上，在冰和物體之間的界面上產(chǎn)生直流偏壓；一種多孔材料，位于物體的至少一部分上，用來提高冰的導(dǎo)電性；直流偏壓具有一個(gè)電壓，該電壓與零偏壓相比，能夠有選擇性地改變冰的附著強(qiáng)度。
13.根據(jù)權(quán)利要求1或12所述的系統(tǒng)，其中，物體有一個(gè)自組裝單層，該自組裝單層具有不同的疏水性和親水性，以改變冰的附著強(qiáng)度。
全文摘要
本發(fā)明包括一種用來在物體表面結(jié)冰時(shí)改變冰附著強(qiáng)度的系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括:一個(gè)與物體絕緣的電極;一個(gè)連接到物體和電極上的直流電源(例如,蓄電池)。在冰接通電路時(shí),直流電源在冰和物體之間的界面上產(chǎn)生直流偏壓。這個(gè)物體是導(dǎo)體或摻雜半導(dǎo)體,從而,與零偏壓下相比,在冰和物體之間的界面上施加非零偏壓能夠有選擇性地改變冰附著強(qiáng)度。相對(duì)于靜態(tài)(即,不施加偏壓的狀態(tài))來說,冰附著強(qiáng)度能夠被提高或降低。這樣,就能夠便于除冰(例如,飛機(jī)機(jī)翼上的冰)。系統(tǒng)中的物體和電極之間最好設(shè)置絕緣材料;而且絕緣材料的形狀大體上與物體及電極相同。就大多數(shù)應(yīng)用場(chǎng)合而言,電極包括外形與物體表面一致的柵狀電極,而且柵狀電極的每一個(gè)點(diǎn)均和電源接通。相應(yīng)地,物體和柵狀電極之間通常也設(shè)置有柵狀電極絕緣材料。本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例使用了多孔滲透材料來有選擇性地給物體表面上的冰釋放添加劑;另一個(gè)實(shí)施例使用了自組裝單層來降低冰和金屬之間的氫鍵鍵合強(qiáng)度。在一個(gè)實(shí)施例中,本發(fā)明還提供了其特性隨溫度變化的輸電線涂層,使輸電線的涂層能夠在結(jié)冰條件下熔化線路上的冰雪。
文檔編號(hào)H05B3/84GK1332685SQ99815095
公開日2002年1月23日 申請(qǐng)日期1999年10月26日 優(yōu)先權(quán)日1998年10月27日
發(fā)明者維克托·彼德連科 申請(qǐng)人:達(dá)特茅斯學(xué)院理事會(huì)