De-icing coatings based on solar illumination Preparation and characterisation

Abstract

Dette prosjektet har hatt som mål å lage og karakterisere et overflatebelegg som utnytter energien i solstråler til avising av flyvinger, vindmøller og andre installasjoner som er utsatt for isakkumulering. Belegget består av tre lag med ulike egenskaper, som virker sammen for å fjerne is som har samlet seg på overflaten ved hjelp av energien fra innfallende lys. Motivasjonen er at denne løsningen kan være et mer miljøvennlig alternativ til dagens avisingsmetoder, som er energikrevende og naturforurensende.

De viktigste, og mest interessante, egenskapene til belegget ligger i overflatelaget, hvis hensikt er å absorbere innkommende stråling og omforme det til varmeenergi. I dette arbeidet har fire prototyper av et slikt belegg blitt laget ved keramisk båndstøping. Ett av beleggene ble laget med silisiumkarbid som overflatelag; de tre andre med ulike komposisjoner av en kobber/kobber(II)oksid-kompositt. Båndstøping viste seg å være en enkel og rimelig metode for preparering av beleggsprøver til denne typen studie, men den produserer ikke belegg som er motstandsdyktige nok til å kunne anvendes i praksis. Videre arbeid bør av den grunn se til alternative preparative metoder som kan gi økt tetthet og styrke i beleggets overflatelag.

Beleggenes overflateegenskaper ble karakterisert ved sveipeelektronmikroskopi (SEM) og stylusprofilometri. Fuktegenskapene ble karakterisert ved vannkontakt- vinkelmålinger, og motstandsevnen ved skrapetesting. Målinger fra differensiell skanningskalorimetri (DSC) og laserflash ble brukt til å beregne termisk ledningsevne i de fire overflatematerialene, og deres optiske absorpsjonsegenskaper ble målt ved hjelp av integrerende kule-spektroskopi. Videre ble et enkelt eksperimentelt oppsett brukt for å karakterisere avisingsegenskapene til de fire prototypebeleggene.

Karakteriseringen avdekket flere interessante funn. For det første ble overflaten til beleggene målt til å være veldig ru, og at denne ruheten sank med redusert partikkelstørrelse i materialet. Den ru overflaten ble også observert til å ha hatt sterk innvirkning på fukteegenskapene til belegget, som igjen antas å være svært viktig for hvordan is heftes til overflaten. De fire overflatematerialene ble målt til å ha lav varmeledningsevne, trolig på grunn av porøsitet og høyt innhold av bindemiddel. Absorpsjonsevnen til materialene ble målt til å være tilstrekkelig høy, med hensyn til funksjonen de er ment å tjene. Resultatene fra avisingskarakteriseringen avdekket at bestråling fremmet avisingsegenskapene til samtlige prototypebelegg, noe som antyder at overflatematerialene innehar de nødvendige fototermiske egenskapene for formålet.

The objective of this work was to prepare and characterise a type of coating designed for de-icing of surfaces exposed to freezing climates, such as wind turbines and aeroplanes. The coating consists of three layers interacting with each other in order to utilise the energy from incident illumination for ice mitigation. Such a coating could potentially be a more environmentally friendly alternative to de-icing methods used today, which are typically either energy-consuming or chemically polluting.

The most crucial and interesting properties of the de-icing coating lie with the surface layer, which purpose is to absorb incoming radiation and convert it to thermal energy. For this project, prototype coatings with four different surface layers were prepared using the ceramic tape casting method. One of the coatings was prepared with silicon carbide (SiC) as the surface layer; the other three were prepared with copper/cupric oxide cermet composites of varying metal content. Coating preparation by tape casting was demonstrated to be a simple and fair method of preparing samples for this kind of study. However, the durability of the coatings was observed to be far too poor for application purposes. Alternative preparation methods should thus be looked into, in order to produce a coating with denser and stronger surface layers.

The surface properties of the prototype coatings were characterised by scanning electron microscopy (SEM) and stylus profilometry. The wetting behaviour was analysed by water contact angle (WCA) measurements, and the durability investigated by scratch testing. Differential scanning calorimetry (DSC) and laser-flash measurements were used to calculate the thermal conductivities of the four surface materials, and their optical absorption properties were measured by integrating sphere spectroscopy. Finally, a simple experimental setup was used to characterise the de-icing properties of the four prototype coatings.

The characterisation study revealed several interesting findings. The surface structures of the prepared prototype coatings were measured to be very rough, but decreasingly so with decreased particle size in the material. This roughness was observed to have a strong influence on the wetting behaviour of the surfaces, and in turn, is thought to also have affected surface ice adhesion. The four surface layer materials were measured to have weak thermal conductivities, likely due to the high binder content and porosity. Their optical absorbance values were measured to be relatively high, which is a promising result with regards to their photothermal function. Results from the de-icing characterisation indicated that each of the four coatings, to varying extents, inherited the desired photothermal properties, as their performance was enhanced by illumination.