專利名稱：改變冰附著強度的系統及方法
技術領域：
本發明涉及改變冰和所選材料之間的冰附著強度的方法及設備，特別是涉及在冰和所選材料之間的界面上施加電能，根據需要來提高或降低冰附著強度的系統及方法。
背景技術：
冰附著于某些表面會引發許多問題。例如，冰在飛機機翼上積聚過多會危及飛機及乘客的安全。船體上結冰會造成航行困難，消耗更多能量，并產生某些不安全因素。刮除汽車風擋玻璃上的結冰，被大多數成年人視為一件煩人的重復性雜務；任何殘留的冰都會影響駕駛員的能見距離及安全性。
直升機螺旋槳葉和公路路面的結冰以及冰附著現象也會引發問題。在冰和雪的清除和控制方面，花費高達數十億美元。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。
輸電線路的結冰也會引發問題。結冰會增加輸電線路的重量，造成線路中斷而斷電，其直接和間接經濟損失也高達數十億美元。
就現有技術而言，雖然處理冰附著的方法有多種，但大多數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)來熔化飛機機翼上的積冰。雖然這種方法費用昂貴，而且對環境有害，但是，機翼積冰會危及乘客的安全使得有理由使用這種除冰方法。另外，有的飛機是利用沿著機翼前緣布置的橡皮管，通過定時給橡皮管充氣來破壞在機翼上的積冰；還有的飛機是通過將噴氣發動機的熱量改道到機翼上來熔化機翼上的積冰。
但是，這些現有技術的方法有其局限性，并會引發一些問題。第一，螺旋槳飛機沒有噴氣發動機。第二，機翼前緣的橡皮管對飛機的氣動力特性有不良影響。第三，除冰費用極為昂貴，每次除冰的費用大約為2500美元～3500美元，而對某些飛機而言，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，冰還會因其摩擦系數極低而引發問題。例如，公路路面上的結冰每年都會引發為數眾多的交通事故，造成人員的傷亡和財產的巨大損失。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量。
因此，本發明的目的是提供用來有益地改變冰附著強度的系統及方法。
本發明的另一個目的是提供用來降低交通工具表面(例如，飛機機翼、船體及汽車風擋玻璃)上冰附著強度以便于除冰的系統。
本發明的又一個目的是提供用來于提高結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)之間摩擦系數的系統。
上述目的及其它目的將通過下面的描述變得明顯、易懂。
本發明的概述如果降低冰和結冰表面之間的冰附著強度，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翼之間的冰附著強度，則風壓、振動或不費力的人工刷掃，即可將冰從機翼上除去。同樣，如果降低冰和汽車風擋玻璃之間的冰附著強度，則刮除汽車風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冰路面之間的冰附著強度，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，這些特性使本發明能夠有選擇地改變冰對導體(及半導體)表面之間的冰附著強度。首先，冰是一種質子半導體，質子半導體屬于半導體中的一小類，其載流子是質子而不是電子。這種現象起因于冰內的氫鍵鍵合。氫鍵鍵合的發生，是因為冰內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------一個質子------保持與相鄰水分子的鍵合。
與典型的電子半導體相似，冰也具有導電性。盡管冰的導電性通常較弱，但是，通過加入化學添加劑------可以額外捐獻或收受載流子(就冰而言，載流子為質子)的化學添加劑，可以改變冰的導電性。
冰的另一項物理特性是其蒸發性。物質的蒸發性隨物質表面的蒸氣壓力而變化。就大多數材料而言，在液態——固態界面，蒸氣壓力迅速下降。但是，對冰來說，在液態——固態界面，其蒸發性實際上沒有變化。這是因為冰面上覆蓋有一個液狀層(LLL)。
液狀層(LLL)還是冰附著強度的一個重要影響因素。例如，如果將冰的平滑表面與飛機機翼的平滑表面相接觸，兩個表面之間的實際接觸面積大約為兩個表面之間總交界面積的千分之一。液狀層在兩個表面之間充當潤濕材料(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。接觸面積的提高對冰附著強度有著很大影響。
冰具有半導體特性，再加上冰面上覆蓋有一個液狀層，使人們能夠有選擇地控制冰和其他表面之間的冰附著強度。總體上講，冰塊內的水分子是無規則取向的。但是，在冰的表面，水分子具有明顯的同一方向的取向性，或者朝內或者朝外。因此，其所有的質子或者朝內或者朝外，從而所有的正電荷或者朝內或者朝外。
盡管確切的機理尚不清楚，但很可能是因為在冰塊內水分子為無規則取向，而在液狀層內，則轉變為規則取向。規則取向的實際結果是，在冰面出現較高密度的電荷(或正或負)。因此，如果在與冰接觸的表面上產生電荷，就能夠有選擇性地改變在兩個表面之間的附著力。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，本發明利用電源，在冰和結冰表面之間的界面兩端施加直流電壓。例如，導體表面可以是機翼或船體(甚至是機翼或船體的涂料)。第一電極與導體表面相連；用不導電材料或絕緣材料在導體表面上形成柵格；第二電極通過在絕緣材料表面上涂敷導電材料而形成，例如，涂敷導電涂料，但并不與導體表面相接觸。第二電極的表面面積，與系統所保護的整個表面區域相比，應當很小。例如，受保護區域(即要設法實現無冰的區域)的表面面積應當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，同時利用線路將第一電極和電源連接起來。當受保護的表面和第二電極(導電柵狀電極)被冰所覆蓋時，即接通電路。屆時，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度。
另外，最好還給電路連接一個電壓調節子系統，以便能夠調節控制施加到界面兩端的電壓，實現對冰附著強度的控制。例如，就離子濃度不同的冰而言，將冰附著強度降低到最小所需要的最佳電壓，也會發生變化；電壓調節子系統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，以使系統具備一些特性，例如，可以探測出電路接通是起因于水還是冰。一方面，電源是一個直流電源(例如，蓄電池)，它給電路提供電壓并和除冰電極相連。給電路連接一個直流電流表，用來測量冰的直流導電性(即當受保護表面結冰且導電柵狀電極任何一部分被冰所覆蓋時，“短路”兩個電極的半導體層的直流導電性)。另一方面，給電路連接一個交流電源，用來有選擇地產生10kHz～100kHz的交流電壓。給電路連接一個交流電流表，用來測量冰在10～100kHz范圍內的交流導電性。另外，利用電流比較器來比較冰的直流導電性和交流導電性。
這樣就提供了一個電路，它能夠區分出表面上所形成的半導體層是冰，還是表面上的水。水的交流導電性(在前面所提到過的范圍內)和水的直流導電性大體上相同。但是，對冰來說，其交流導電性和直流導電性要相差2～3個數量級。這種導電性差異能夠通過直流電流表和交流電流表測量出來，并在電流比較器內進行比較。當導電性的差異高于預定值時，電流比較器即發出結冰報警信號。此時，電壓調節子系統可給電路(也就是界面)施加一個直流偏壓，以所希望的場強度來充分地降低冰的附著強度。根據本發明，當探測到機翼上結冰時，結冰報警信號還將啟動系統內的反饋電路(1)測量冰的導電性；(2)確定可將冰附著強度降低到最小(或接近最小)的適當偏壓；(3)在冰一機翼的界面上施加偏壓，以便于除冰。
該領域的普通技術人員應當知道，前面所描述的系統適用于許多種表面(例如，汽車風擋玻璃、船體及輸電線路)，用來降低冰的附著強度。就降低冰附著強度而言，如果表面材料具有弱的導電性，最好是給表面材料“摻雜”，以使其具有足夠的導電性。摻雜技術是本領域的普通技術人員所熟知的技術。例如，汽車輪胎就能夠通過摻入碘來使橡膠具有導電性。同樣，汽車玻璃也能夠通過摻入ITO或攙雜氟化物的SnO2，使風擋玻璃成為可接受的半導體。
但另一方面，前面所描述的系統和電路也適用于希望提高冰附著強度的場合。就提高冰附著強度而言，例如，當結冰報警探測到結冰時，系統啟動反饋電路來調節施加給界面的直流電壓，以提高冰的附著強度。例如，能夠從這種系統獲益的應用場合和表面包括鞋子的鞋底和汽車的輪胎。
另外，本發明還能夠包括一個可變冰附著強度/電壓控制子系統，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度。例如，越野雪橇(或旋轉雪橇)理想的是在爬坡時(或在某些情況下，下坡時)，具有較高的摩擦力；在下坡時，具有較低的摩擦力。根據本發明，這里所描述的冰附著強度控制系統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節控制雪橇的摩擦力。
對本發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“冰摩擦的靜止場效應”，《應用物理》雜志(J.Appl.Phys.)76(2)，1216-1219(1994)；Petrenko的論文“冰、雪摩擦中電場的產生”，《應用物理》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”，《基礎物理化學》雜志(J.Phys.Chem.B)，101，6212-6214(1997)；Petrenko的論文“利用掃描力顯微術對冰面、冰/固體界面及冰/液體界面的研究”，《基礎物理化學》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及電特性”，《基礎物理化學》雜志(J.Phys.Chem.B)，101，6285-6289(1997)；以及，Ryzhkin等人的論文“冰附著的物理機理”，《基礎物理化學》雜志(J.Phys.Chem.B)，101，6267-6270(1997)。
下面將結合最佳實施例對本發明進行說明，顯然，該領域的普通技術人員能夠在不偏離本發明范圍的情況下，進行各式各樣的增加、減少或改進。
通過參看附圖，可以對本發明有更為透徹的了解。


圖1A-1C表示直流偏壓對冰附著于液態金屬(汞)的影響，接觸角Θ越小，表明附著強度越高；圖2表示用于測定圖1A-1C所示的冰一汞界面能量的冰測壓計；圖3表示在使用0.5％NaCl摻雜冰、T＝-10℃的條件下，直流偏壓對冰-汞界面能量的試驗結果；圖4表示如何在冰/金屬界面產生氣泡，來起到界面裂紋的作用，以降低界面附著強度；圖5表示根據本發明設計的一種用來改變冰對普通導體(或半導體)材料的附著強度的系統；圖6為圖5所示系統的剖視圖(未按比例繪制)；圖7表示本發明的一種用來減少飛機機翼上結冰的系統；圖8表示本發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；圖9表示根據本發明在非活性表面上涂敷鐵電材料涂層來進行除冰。
圖10表示根據本發明設計的用于給冰釋放離子以便于降低冰附著強度的滲透層。
圖11表示根據本發明設計的輸電線。
圖12表示根據本發明設計的用于降低冰附著強度的自組裝單層。
附圖的詳細說明本發明包括用來改變冰附著強度的系統和方法，該系統和方法通過在冰和其所附著材料(例如，金屬和半導體)的界面之間施加直流偏壓而改變冰的附著強度。因此，本發明能夠用來減輕(在某些情況下消除)冰在這些材料上的附著。
在具體的實施例中，本發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小的直流偏壓，即能夠有效地改變靜電相互作用。
試驗和理論計算表明，冰表面的電荷密度高達10-2C/m2到3·10-2C/m2。參看Petrenko的論文“冰、雪摩擦中電場的產生”，《應用物理》雜志(J.Appl.Phys.)，77(9)，4518-21(1995)；Petrenko的論文“利用掃描力顯微術對冰面、冰/固體界面及冰/液體界面的研究”，《基礎物理化學》雜志(J.Phys.Chem.B)，101，6276(1997)；以及Dosch等人的“表面科學”(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的水分子的強烈極化作用。
冰面電荷與固體材料內感應電荷之間的相互作用，影響著冰—固體材料界面的強度。兩個平面電荷的靜電吸引力(負壓Pel)利用如下公式進行估算Pel=ϵ0ϵE22------(1)]]>其中，ε0為真空介電常數，E為電荷之間的空間電場強度。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”，《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的主隔離(screening)長度)，ε＝3.2(冰的高頻介電常數)，VC＝0.5V(接觸電位的常用數值)，利用等式(1)可計算出Pel≈3.3Mpa，這個數值與冰的1.5Mpa的宏觀抗拉強度具有可比性，但是超過了冰的1.5Mpa的宏觀抗拉強度。參看Schulson等人的論文“在拉伸下冰的脆性—延性變化”，《自然科學》雜志(Phil.Mag.)，49，35363(1984)，這篇文章在此被引用為參考資料。
后面更為精密地計算了在冰面電荷與金屬之間的靜電相互作用能量，計算中利用了實際空間電荷分布和電荷弛豫(relaxation)計算結果。特別是，后面還指出了在溫度為-10℃時，靜電相互作用能量為0.01J/m2～0.5J/m2。下限0.01J/m2對應于純凈冰；上限0.5J/m2對應于重摻雜冰。這些數值和下面所介紹的利用掃描力顯微術(SFM)所獲得的試驗結果相比，具有可比性。掃描力顯微術的試驗結果確定了靜電相互作用能量為0.08±0.012J/m2；而對于冰/汞界面的試驗，因為冰/金屬的靜電粘接，回到了0.150±0.015J/m2，。
因為靜電相互作用影響著冰的附著，因此，冰和導電材料(例如，金屬或半導體)之間的附著強度，能夠通過對冰—導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冰附著強度的影響，建立了界面模型，即液態材料—固態材料的界面模型而不是固態材料—固態材料的界面模型。的確，當一種材料是液態材料而另一種材料是固態材料時(例如，水—金屬)，可利用接觸角試驗可靠地測定決定附著強度的界面能。因此，如果金屬是處于液相的話，就能夠對冰—金屬界面使用類似的技術。例如，汞(熔點-38.83℃、化學活性低、表面易于清潔)，非常適用于驗證這個模型；圖1A-1C表示小的直流偏壓對冰-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，附著強度用Θ0表示。Θ0代表在沒有施加電壓(即，V＝0)時的附著強度。圖1B表示在直流電源22施加-1.75V電壓時的合成附著強度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，構成電路。圖1C，表示在直流電源22施加-5V電壓時的合成附著強度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，這表明負電壓的小范圍變動會造成附著強度發生明顯的變化。與附著強度Θ2甚至是附著強度Θ1相比，附著強度Θ1較弱。與附著強度Θ1甚至是附著強度Θ0相比，附著強度Θ2較強。
為了測定圖1所示的冰-汞界面16的表面引力，使用了冰測壓計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設置在測壓電路26之內，用來測量電流。直流電源22’接到汞18’和網狀電極30上，網狀電極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管32相互連通。當直流偏壓發生變化時，汞18’和冰20’之間的冰附著強度也將發生變化，重力將會調整在冰20’內的汞18’的高度“h”(即，向上伸入冰20’的毛細管32內的汞柱高度)。
具體地講，汞18’在毛細管32內的平衡位置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h被測定時，等式(2)用來計算Wi/a，由此，可計算出冰對液態金屬(汞)的附著強度。在測試中，圖2所示的毛細管的半徑r為0.25mm或0.5mm。
按照圖1和圖2所示的結構形式進行多項試驗，其中包括利用純度為99.9998％的電子級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。試驗的溫度范圍為(-20℃～-5℃)±2℃，其中大部分試驗時的溫度為-10℃、相對濕度為89～91％。需要指出的是，對摻雜的冰來說，直流偏壓對冰—汞的界面會有較大的影響。能量變化Δ(Wi/a-Wi/Hg)的大小和符號，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摻雜冰的條件下測定的Δ(Wi/a-Wi/Hg)與偏壓V的關系曲線圖。從圖可以看出，偏壓能夠降低或提高冰對汞的附著強度偏壓約為-1.75V時，附著強度最小；而偏壓在-2V到-6V的范圍內，附著強度迅速提高。NaCl的濃度高于0.05％時，偏壓對界面能的影響較為明顯。
對低濃度NaCl摻雜的冰或利用自來水制作的冰來說，當施加低的直流偏壓時，附著強度的變化極小，而且再現性差。相反，使用0.5％NaCl摻雜的冰，施加偏壓后，汞馬上就會移動；而且過程完全是可逆的，即在斷開偏壓之后，Wi/Hg可恢復。這些結果是可以重現的，而且易于觀察到。對于半徑r＝0.25mm的毛細管來說，h的最大變動量是12mm。
電流—電壓特性的測量結果還表明，上述附著強度的變化是由電壓而不是由電流引起的。例如，典型試驗產生幾十個μA的電流強度；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，施加直流偏壓會引起Wi/Hg出現幾乎對稱的降低，與NaCl摻雜冰相比，在數值上具有可比性。施加振幅高達40V、頻率范圍為10Hz～100Hz的交流電壓，不會引起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金屬的附著強度，需要施加高達1kV～3kV的電壓。純凈冰和摻雜冰對直流偏壓的不同反應，是因為其隔離長度和電子弛豫時間不同。
上述試驗證明了在冰附著的狀態下，冰—金屬界面上的雙電荷層對冰附著強度所起到的重要作用。雖然對固態汞來說，Wi/Hg絕對數值與液態汞稍有不同，但不論對液態汞還是固態汞來說，其靜電相互作用基本相同。試驗結果還表明，通過在冰和金屬之間施加一個小的電位差，即能夠有效地改變冰對金屬的附著強度。在施加相同直流偏壓的情況下，冰內雜質不同，固態金屬不同，溫度不同，附著強度也會發生變化。
發明者還根據冰面上質子載流子的表面態，研究建立了冰附著強度的靜電模型。在大于分子間距的距離上，該模型給出的靜電附著力，遠遠大于化學鍵力(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間和溫度有關的一些現象，這些現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理；在冰和不同固體材料之間，分子鍵合的本質及強度。
粘接機理可合理地分為三類共價鍵合或化學鍵合機理(化學鍵力)；電磁相互作用的擴散或波動(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，學報(Academic Press)倫敦，第2章(1991)，這篇文章在此被引用為參考文獻。化學鍵合機理對應于化學反應和形成界面復合物。就共價鍵合或化學鍵合而言，附著力的產生是由于交互作用固體材料的波動函數的重疊，造成系統量子力學能的降低。這種相互作用實際上僅存在于大約0.1nm～0.2nm的距離上。另外，這種類型的附著力還對固體材料的化學特性非常敏感。在充分接觸的情況下，化學鍵合機理能夠提供的附著力≤0.5J/m2，在化學鍵力、范德華力和靜電力中，化學鍵力被視為最小。
與化學鍵力相比，范德華力是遠距離的，而且作用在所有物質之間。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)，因此，范德華力相當不易受試驗條件的影響。例如，參看Mahanty等人的論文“擴散力”，學報(Academic Press)，倫敦，第9章(1976)；及Barash等人的論文“凝結系統的介電功能”，由Keldysh等人編輯，Elsiever科學(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。
除了化學鍵力和范德華力之外，含有非補償電荷或空間分離電荷的兩種固體材料還會產生靜電力。最近，靜電力對附著強度的重要性已得以重新發現。參看Stoneham等人的文章“固態物理”，《物理化學》雜志(J.Phys.CSolid State Physics)，18，L543(1985)；及Hays的文章“附著原理”，編輯Lee.Lee，Plenum學報，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系。將該模型與范德華力機理、化學鍵合機理及試驗結果進行比較。
該模型的主要結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)。模型的一個重要參數是靠近冰—固體材料界面的水分子的有序性，或換句話說，質子載流子的表面態。這就將問題簡化為一個模擬固體材料表面水分子狀態的問題。不過，下面的描述將假定存在著能夠被質子點缺陷占有的表面態。表面態的占有率，取決于俘獲載流子的庫侖能量與表面態的能量深度之間的相互關系。因此，表面態(在非平衡情況下)的占有率或表面態的能量深度，將被取作為參數。
冰含有有極水分子，它們能夠與任何介電常數不同于冰的固體材料發生強烈的相互作用。另外，還有理論和試驗證據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生相互作用。這里，我們假定表面電荷是因冰面俘獲質子載流子而產生。俘獲的缺陷假定為D缺陷、H3O+離子或質子。正離子的尺寸小于負離子，原因是正離子的電子較少或根本就沒有電子，并以質子的形式存在。因此，對于較小的距離，我們能夠應用鏡像電荷原理，在較小的距離上，電荷及其鏡像電荷的勢能可能小于冰內的電荷能量。對于尺寸較大的負離子來說，則難以達到這一點。在熱平衡的情況下，表面態的占有率并不理想，因為俘獲載流子所引起的能量增益被靜電能量的提高所抵償。但是，由于固體材料內的感應電荷會引起電荷的重新分布，靜電能量也能夠被大大降低。這會導致理想的表面態占有率和相當高的附著力(接近于靜電力)。
下面將描述冰表面下層內的載流子的空間分布。泊松等式可以寫成 公式中，E和V分別是電場強度和靜電勢能(兩者均是空間坐標z的函數)；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 確定的隔離長度；ε和ε0分別是冰的介電常數(≈3.2)和真空的介電常數；k和T分別是玻耳茲曼常數和溫度。函數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內的載流子。等式(3)適用于冰晶體內的任何一點。將公式(3)應用于冰的表面，我們得到了表面電荷密度σs和表面勢能Vs之間的關系式σs＝σ0f(Vs)。
利用公式(3)到公式(6)，我們能夠計算出靜電對于冰附著能量的影響。靜電能量給出附著能量的上限，首先，計算出冰的屏蔽層的靜電能量，靜電能量是表面勢能的函數。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)]]>現在，我們考慮在距離冰面為d的距離上有1塊金屬板。冰內的非平衡電荷分布，將在金屬上感應出電荷，從而，在冰和金屬板之間形成電場。系統單位面積的總靜電能量可用下面的公式表示We(d,V)=σ02·d2ϵϵ0·[f(V)-σσ0]2+σ02·∫0Vf(V′)dV′-----(8)]]>等式(8)中的V是冰的表面勢能，必須根據距離d的每一個值的最小能量來求出。表面電荷密度可視為一個常數，這個常數對應于表面態的非平衡占有率。對We(d，V)進行最小化計算，我們推出單位面積的附著能量是距離d的函數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，這是因為金屬板上感應電荷引起冰面電荷的屏蔽。在這種情況下，俘獲載流子的庫侖能量降低，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、因表面態占有率所造成的能量增益、熵(entropy)對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上進行最小化計算得出。此時，還假定冰塊的化學勢能保持不變且等于零。對每個d值都進行這一步計算，我們即可求出作為距離的函數或者平衡附著能量的函數的平衡自由能。
類似的方法使我們能夠求出冰的表面態平衡占有率或表面勢能，表面態平衡占有率或表面勢能是表面態能量E0的函數或溫度的函數。讓我們假定金屬板距離冰面無窮遠。這時，為了使公式(8)中的第一個正單元為最小，假定σ＝σ0f(V)。這樣，F就變為了一個參數V或者σ的函數。這多少簡化了在V上進行的最終最小化計算，但也能夠以σ來重新計算結果。
根據載流子的類型和表面態的能量，附著能量一般為1.3J/m2～0.08J/m2。這個數值，與在-20℃溫度下冰—金屬界面附著能量的試驗測量結果相比，相差不大，甚至高于試驗測定的結果。實際上，靜電力和化學鍵力一樣高；但是，與化學鍵合機理相比，靜電機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，靜電機理的作用明顯大于化學鍵合機理。從而，在距離大于roo的情況下，如果哈梅克常數等于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，這表明了遠距離特性。非平衡分離試驗的附著力，應當高于附著試驗的附著力。后者能夠通過在冰和金屬接觸時，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，并因表面態占有率高，而具有較高的靜電能量。但是，當距離增大時，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，對于D缺陷的表面態模型，還考慮了到了占有率(表面態能量ES的函數)的特性。當ES≈0.1eV時，占有率接近于零。載流子被俘獲到帶有正電能量的表面態之內的一個原因，與自由能的熵增益有關。出于同樣的原因，冰塊內還存在缺陷。值得注意的是，對于冰塊的D缺陷來說，每個缺陷的“形成能量”等于0.34eV，大大高于0.1eV。這最終導致了冰塊表面態的占有率約為3·10-7。
冰附著還會出現隨時間變化的現象，這些隨時間變化的現象為上述模型所固有。為了進入或離開表面態，缺陷必須克服一些靜電障礙，這會導致非平衡態和隨時間變化的現象。
該模型的一個重要組成部分是冰表面電荷與金屬內感應電荷之間的靜電吸引，這個機理也適用于冰—絕緣體界面，只是感應電荷的數量不同。冰表面態的電荷q，將在金屬內感應產生“鏡像電荷”-q；而同樣的電荷q，將根據下面的關系式在絕緣體內感應產生一個較小的“鏡像”電荷q’q,=-q·ϵ-1ϵ+1-------(11)]]>公式中，ε為絕緣體的介電常數。就大多數固體絕緣材料來說，ε遠遠大于1，而且絕緣材料內的感應電荷與金屬內的感應電荷具有可比性。ε越小，則靜電附著力也越小。例如，聚四氟乙烯的介電常數ε＝2.04；而且眾所周知，它對冰具有低的附著力。
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)的屏蔽比冰內表面電荷更為有效(對應的原始靜電能量，大大低于冰)。因此，固體材料形成的電場的屏蔽，不能大大削弱靜電能量。需要注意的是，當溫度接近于冰的熔點時，一個薄的液狀層可能出現在冰—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成為包括表面預熔對冰附著強度的影響。
上述冰附著靜電模型說明了冰面電特性與冰附著強度之間的相互關系。模型給出了附著能量的正確數量級。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生的靜電力，大大高于化學鍵力和范德華力。另外，模型還使人們能夠直觀地了解隨時間和溫度變化的、有助于解釋冰和水附著特性差異的各種現象。
圖4表示當界面(在冰69和金屬71之間)被加載而出現界面裂紋時，氣泡67起到了降低界面附著強度的作用。
圖5(和剖視圖6)表示根據本發明設計的系統100。系統100用來降低在材料104的表面104a上的結冰102的冰附著強度。系統100構成一個電路，電路中包含材料104、導電格柵106(包括格柵上的解說點“A”～“F”)、電源109。導電格柵106懸置于表面104a的上方，以使導電格柵106和材料104絕緣。
在本發明的一個最佳實施例中，導電格柵106懸置于表面104a的上方，可通過在導電格柵106與表面104a之間使用絕緣格柵108來實現。圖6較為詳細地示出了絕緣格柵108。為了說明絕緣格柵108和導電柵格106之間的相互關系，圖6并沒有按比例繪制。實際上，導電格柵106和絕緣格柵108的厚度(就圖6的輪廓來說)，可以遠遠小于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；導電柵格106可以利用導電涂料薄涂層來制成。接通導電柵格106，使其作為一個電極。這樣，材料104就成為電路中的一個電極；而導電格柵106就成為電路中的另一個電極。
導電格柵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能夠代表飛機或汽車風擋玻璃；導電格柵106和絕緣格柵108貼合于結構材料104上。
當表面104a上產生冰102時，由于冰是一種半導體(如前所述)，系統100的電路被接通。當電路接通時，電源109即提供一個直流偏壓，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，根據系統的使用場合來決定。對汽車風擋玻璃或飛機機翼來說，偏壓的選擇是以實現最小(或接近最小)的冰附著強度為目標，以便于從材料104上除去冰102。
在系統100的電路中，最好還連接一個電壓調節子系統112。正如下面所詳細描述的那樣，電壓調節子系統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，電壓調節子系統可含有電路和微處理器112a，以測定來自電路的數據和確定冰102的導電性(和/或溫度)。這些測量結果被電壓調節子系統用來產生能夠有效地改變所施加直流偏壓大小的信號。具體地說，在一個實施例中，電源109對信號做出響應，在冰-金屬界面施加正確的電壓。直流偏壓值可存儲在電壓調節子系統內的存儲器112b中，存儲器112b中存有一個基于試驗數據建立的查閱表。例如，導電性為“X”的冰(最好實時地通過子系統來測定)在與導電性為“Y”的材料104相接觸時(針對指定用途來說，當系統100接入材料104時，材料104的導電性“Y”是一個已知的既定數值)，可通過使用存儲器112b內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“C”～“E”包含在其中)。當冰102在柵狀電極106的一部分和材料電極104之間造成“短路”時，系統100的電路即被接通。
柵狀電極106的導電區域(例如，圖5中的區域114)之間的柵格間距，應當根據具體使用場合來確定。例如，如果表面104a是飛機機翼的表面，則間距可以相對較小，以保證足夠的電流密度通過低導電性大氣結冰。但對于導電性較高的河冰和海冰，如果需要的話，導電區域114可以較大。
圖7表示根據本發明設計的系統130。系統130的一個電極為飛機機翼132。飛機機翼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連接感應器140。感應器140通過線路141連接到導電涂料142(或與機翼整合的其他等效導電材料)上，導電涂料142(或與機翼整合的其他等效導電材料)涂敷在設置于機翼132上的絕緣層144的上面。
絕緣層144和導電涂料142最好像圖5所示的那樣，排列為格柵的型式。根據除冰要求，施加的電壓通常被控制在5V～50V之間，格柵區域的對應電流從不到1A/m2～100A/m2。
本領域的普通技術人員應當知道，市場上有種類繁多的絕緣漆144＇和導電涂料142；只有在進行結冰模擬試驗之后，才會選定具體品牌的絕緣漆144＇和導電涂料142。另外，導電格柵145的最佳柵間距(即，圖5所示的區域114)也應當根據試驗來確定或對具體設計進行分析之后來確定。
進一步參看圖7，直流電流表138還可以連接反饋子系統150。反饋子系統150本身又連接到直流電源136，以便根據冰的導電性和溫度等特性，“控制”施加到冰-機翼界面上的直流偏壓。為此，最好給系統130連接溫度傳感器152，用來測定冰154的溫度。
系統130的進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130還能夠引入結冰報警子系統162。例如，電流比較器160可連接到結冰報警子系統162和反饋子系統150上，以啟動某些事件，下面就對這方面的內容進行介紹。
直流電流表138能夠用來測定電路130的直流導電性。直流導電性的測量信號被提供給反饋子系統150和電流比較器160，反饋子系統150隨后調節由直流電源136提供的電流。
交流電流表158能夠用來測定電路130的交流導電性(例如，交流電源的頻率范圍為10kHz～100kHz)。交流導電性的測量信號被提供給電流比較器160(并可選擇提供給反饋子系統150，以進行模/數變換和數據處理)。系統103利用直流導電性和交流導電性的比較結果，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，冰的交流導電性與直流導電性之比，要高2～3個數量級，從而電流比較器160可提供一個易于確定出是冰還是水將電路接通的信號測定結果。
因此，當機翼132結冰時，電流比較器160給反饋子系統150發送信號，反饋子系統150隨后指示直流電源136提高或降低作用在冰-機翼界面上的直流偏壓。直流偏壓數值的選定(通常為1V～6V)，是以將冰154在機翼132上的冰附著強度降低到最小為目的。
當機翼132上的結冰被除去時，電流比較器160接受到的信號差異降低到低于預設數值；而且電流比較器160撤銷結冰報警162。同時，電流比較器160給反饋子系統150發送信號，反饋子系統150隨后指示直流電源136將偏壓降低到原始數值。
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和機翼132之間造成短路的材料的導電性。圖7中所示的材料是冰154。系統130能夠以自動模式區別冰和水。感應器140阻止交流電壓進入電路的“直流”部分，“直流”部分應當被精確控制，以改變冰的附著強度。反饋子系統150可以而且最好具有微處理器和存儲器，用來根據反饋數據(例如，冰的溫度和導電性和/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冰報警子系統162的結冰報警信號之后，在冰-機翼的界面上，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。對于一般的大型飛機來說，對應于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-機翼界面上提供直流偏壓，另外，如果需要的話，還能夠用來測定冰154的直流導電性。圖7所示電路中的“交流”部分主要用來測定冰154的交流導電性。圖7所示電路中的其他部分(a)感應器，用于阻止信號在交流部分和直流部分之間的耦合；(b)反饋、測量及控制電路，根據發現結冰(與水相比)和/或測定的反饋參數(例如，冰的溫度及導電性)，控制直流偏壓。
圖8表示本發明的一個最佳實施例，用于減少或去除輸電線700上的冰。圖9為根據本發明設計的輸電線700的剖視圖。正如本領域的普通技術人員所知道的那樣，標準輸電線702在電場(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。根據本發明，給輸電線702涂敷厚度為“t”的涂層704。
在一個實施例中，涂層704采用公知的鐵電材料。鐵電材料實質上是表現出如下特性的陶瓷材料在某些條件下，呈現出非常高的介電常數(例如，10000)和非常高的介電損耗(例如，tanδ≌10)；而在其他條件下，則呈現出較低的介電常數(3～5)和較低的介電損耗。溫度是能夠使介電常數發生變化的一個條件。選擇的材料最好是在冰點溫度之上，介電常數低，在冰點溫度之下，介電常數高。當環境溫度降低到低于冰點溫度時，因高介電常數和高介電損耗而產生的交流電場將對涂層進行加熱。
本領域的普通技術人員應當知道，上述實施例是能夠自調節的，可將涂層溫度保持在接近于(或稍高于)冰熔點溫度的水平。如果涂層被輸電線的電場過分加熱，則輸電線的電場自動進行從鐵電態到標準態的相變換，此時，涂層停止吸收電場能量。因此，通過選擇相變換的溫度，就能夠調整涂層的溫度，從而可滿足不同用戶的需要和環境條件。
涂層704在有交流電場的情況下(例如，由線路702產生的交流電場)，才會產生熱量。具體地講，它表現為在交流周期上產生熱量的磁滯現象；涂層產生熱量起因于輸電線702的波動電場。
厚度“t”通常大約為1mm～10mm，不過，根據采用的材料和希望產生的熱量，也可以采用其他的厚度值。例如，通過改變厚度，能夠將表面704a的溫度提高1℃～10℃或者更高。厚度“t”的選定，是根據所希望產生的熱量值(即，足以熔化輸電線700的表面704a上的冰和雪的熱量值)。
當涂層呈現為低的介電常數和低的介電損耗時(即，涂層溫度高于冰點溫度或所希望的其他某個溫度時)，涂層704所產生的熱量大大減小，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生的磁場能量。
更具體地講，在鐵電材料位于波動的交流電場中時，鐵電材料被因介電損耗而產生的交流電場所加熱。每立方米的供熱能量為W=ωϵ′ϵ04πtanδ(E2-)------(12)]]>公式中，ε＇為相對介電常數(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(ε0＝8.85E-12F/m)，ω為交流電場的角頻率(ω＝2πf，其中，f為輸電線中交流電的頻率，例如，在傳統的輸電線中為60Hz)，tanδ為介電損耗的正切， 為電場的均方。
鐵電材料的特性是在溫度低于居里溫度(Tc)時，ε＇的數值和tanδ的數值非常高；在溫度高于居里溫度(Tc)時，ε＇的數值和tanδ的數值較小。因此，在溫度低于和接近Tc時，介電損耗(或交流電場的供熱能力)非常高；而在溫度高于Tc時，介電損耗(或交流電場的供熱能力)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溫度的鐵電材料成為了涂層704的最佳選擇。當外界溫度低于熔點溫度Tm時，這類涂層吸收電能，并被電場加熱到高于Tm的溫度，結果，涂層又轉變為常見的絕熱體(即，不再大量吸收電場能量)。
因此，在這類涂層位于波動的交流電場中時，鐵電材料保持一個接近或稍高于Tm的恒定溫度。將這種自調節機理應用于防止結冰是非常經濟的；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表面)的最大供熱能量。根據本發明，適用的鐵電材料包括
表3鐵電材料

下面以Pb3MgNb2Og為例，計算其供熱能力。在這個例子中，中距離輸電線

電線直徑1cm＝2×半徑。電線表面的電場強度為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，代入公式即可計算出W(1mm，60Hz)＝4.5E5W/m3。這樣，例如，1mm厚的薄膜即產生450W/m2，這足以超過一般的除冰要求。
當作用于輸電線時，在涂層內消耗的最大能量受到電線之間電容C2的限制WmaxωC22·V2-------(14)]]>
對于厚度為2cm、電線間距為1m的電線來說， 在輸電線V＝350kV時， 這個能量足以保證1m長的電線不會結冰。
除了鐵電材料之外，幾乎任何半導體材料的涂層也能夠產生類似的效果。為了獲得等式(24)的最大性能值，涂層的介電導電系數σ應當滿足下面的條件σ≈εε0ω(15)公式中，ε為涂層的介電常數，ε0為自由空間的介電常數。對于ε≈10和60Hz交流電輸電線來說，σ≈3.4E-8(ohm.m)-1。對于許多非摻雜半導體和低品質絕緣體來說，這種導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量要求)。此外，這種涂層也能夠實現如前所述的同樣的溫度“調諧”，這是由于半導體材料的導電性很強烈地隨溫度而變化(例如，按指數關系變化)。因此，根據等式(22)，最佳條件僅能夠在一個非常小的溫度范圍內被滿足(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。
本領域的普通技術人員應當知道，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行處理。例如，將這種涂層應用于飛機機翼，通過給涂層加交流電，特別是根據等式(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，本發明能夠實現前面陳述的各種目標，這些目標在前面的描述中一目了然。因為在不偏離本發明的情況下，能夠對前面的設備和方法進行一些改進，因此，前面描述的所有內容和附圖所示的內容僅是示例性的說明，并不是狹義的說明。
例如，本領域的普通技術人員應當知道，象圖5中所示的柵狀電極，也能夠應用于其他多種表面，包括房屋頂、石油管線、公路及其它易于積冰的表面。
圖10表示本發明的利用滲透層的一個實施例。滲透材料層2904附在表面2902上。第一個絕緣層2906和第二個絕緣層2908附在滲透材料層2904上。第一電極2910附在第一個絕緣層2906上。第二電極2912附在第二個絕緣層2908上。冰2914覆蓋了滲透材料層2904、第一個絕緣層2906、第二個絕緣層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)燒結金屬構成的滲透多孔電極；參看Vilar等人的論文“燒結金屬構成的滲透多孔電極-流體動力學和質量傳遞”，加拿大《化學工程》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；參看Barsukov的論文“可充電蓄電池的多孔石墨-夾層系統”，《新材料》共軛雙接合系統(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-化學科學協會論文集》(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，以提高導電性。添加劑可以是堿、酸或鹽。例如，KOH、HF、NaCl及KCl電解溶液。當滲透材料層2904和冰2914(或過冷水滴)接觸時，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，因添加劑的存在，冰的導電性提高。在非常寒冷的條件下(例如，在飛機飛行的高海拔條件下)，冰是非常純凈的和/或非導電的。此時，可通過使用滲透材料層2904，來提高純凈冰的導電性和在極低溫度下的冰的導電性。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補充添加劑。
第一電極2910和第二電極2912，在施加偏壓時，對極性沒有要求。在本發明的一個實施例中，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。在本發明的另一個實施例中，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，這些實施例并沒有在圖29中給出。第一個絕緣層2906和第二個絕緣層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，在第一電極2910和第二電極2912之間施加一個電壓。第一個絕緣層2906和第二個絕緣層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上開始出現結冰2914時，滲透材料層2904釋放添加劑給冰2914，以提高冰的導電性。第一電極2910和第二電極2912之間的電壓，將降低冰2914的冰附著強度，并將冰2914熔化。
圖11表示從輸電線3000上除冰的一個實施例。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的關系。當溫度達到輸電線涂層的啟動溫度時，輸電線3000的涂層即通過降低冰的附著強度來除去冰。
輸電線3000流過電流，這會產生電場或磁場。當溫度達到輸電線涂層的啟動溫度時，輸電線3000的涂層即對電場或磁場做出響應，除去輸電線上的結冰。
圖12表示本發明利用自組裝單層(SAM)的一個實施例。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3110在自組裝單層3108上。直流電源3112連接水滴或冰點3110和靜電計3114。靜電計3114連接金箔3106。
在直流電源3112的直流偏壓和自組裝單層3108的疏水性發生變化時，靜電計3114以庫侖計的工作模式來測定界面電荷密度。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。當自組裝單層3108的疏水性和親水性發生變化時，水對自組裝單層3108的附著強度是從130mJ/m2到54mJ/m2。
當施加-4.5V的電壓時，水和疏水性自組裝單層3108之間的接觸角為40°。水對自組裝單層3108的附著強度是從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用乙醇進行漂洗，而后，再用氮氣風干。然后，將金箔3106放置到前面針對確定疏水性和親水性而配制的適當溶液中，浸泡12小時～36小時。將金箔3106從溶液中取出，用乙醇漂洗5～10次。最后，金箔3106用氮氣風干10～15秒。
權利要求
1.一種用來在物體表面結冰時改變冰附著強度的系統，包括一個與物體絕緣的電極；一個直流電源，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，以提高冰的導電性；直流偏壓具有一個電壓，該電壓與零偏壓相比，能夠有選擇性地改變冰的附著強度。
2.根據權利要求1所述的系統，進一步包括絕緣材料，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.根據權利要求1所述的系統，其中，電極包括柵狀電極，其形狀與物體的表面一致，柵狀電極的每一個點均和電源接通。
4.根據權利要求3所述的系統，進一步包括柵狀絕緣材料，位于物體和柵狀電極之間。
5.根據權利要求1所述的系統，進一步包括一個直流電流表，該直流電流表連接在具有電極和電源的電路中，用來測量冰的直流導電性。
6.根據權利要求5所述的系統，進一步包括一個交流電源和一個交流電流表，連接在具有電極和電源的電路中，用來測量冰的交流導電性。
7.根據權利要求6所述的系統，其中，交流電源產生一種或多種在大約10kHz～100kHz之間的頻率。
8.根據權利要求6所述的系統，進一步包括一個電流比較器，該電流比較器連接直流電流表和交流電流表，用來產生一個代表直流導電性與交流導電性之比的信號。
9.根據權利要求8所述的系統，進一步包括一個反饋子系統，用來評定信號，并確定是水還是冰引起電極和物體短路。
10.根據權利要求9所述的系統，進一步包括一個溫度傳感器，用來測量冰的溫度，并將代表冰的溫度的信號傳送給反饋子系統。
11.根據權利要求9所述的系統，進一步包括一個結冰報警子系統，該子系統根據冰的交流導電性與直流導電性之比的預定數值來探測物體表面的結冰，一旦探測到結冰，該報警子系統即啟動系統。
12.一種用來在物體表面結冰時改變冰附著強度的系統，包括一個與物體絕緣的電極；一個直流電源，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，用來提高冰的導電性；直流偏壓具有一個電壓，該電壓與零偏壓相比，能夠有選擇性地改變冰的附著強度。
13.根據權利要求1或12所述的系統，其中，物體有一個自組裝單層，該自組裝單層具有不同的疏水性和親水性，以改變冰的附著強度。
全文摘要
本發明包括一種用來在物體表面結冰時改變冰附著強度的系統。該系統包括:一個與物體絕緣的電極;一個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,直流電源在冰和物體之間的界面上產生直流偏壓。這個物體是導體或摻雜半導體,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度。相對于靜態(即,不施加偏壓的狀態)來說,冰附著強度能夠被提高或降低。這樣,就能夠便于除冰(例如,飛機機翼上的冰)。系統中的物體和電極之間最好設置絕緣材料;而且絕緣材料的形狀大體上與物體及電極相同。就大多數應用場合而言,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點均和電源接通。相應地,物體和柵狀電極之間通常也設置有柵狀電極絕緣材料。本發明的一個實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;另一個實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度。在一個實施例中,本發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冰條件下熔化線路上的冰雪。
文檔編號H05B3/84GK1332685SQ99815095
公開日2002年1月23日 申請日期1999年10月26日 優先權日1998年10月27日
發明者維克托·彼德連科 申請人:達特茅斯學院理事會