Влияние условий приложения сдвиговой нагрузки на измеряемую прочность адгезии льда к супергидрофобным поверхностям
- Authors: Емельяненко К.А.1, Емельяненко А.М.1, Бойнович Л.Б.1
-
Affiliations:
- Институт физической химии и электрохимии им. А. Н. Фрумкина РАН
- Issue: Vol 86, No 3 (2024)
- Pages: 305-316
- Section: Articles
- Submitted: 27.02.2025
- Published: 15.06.2024
- URL: https://cijournal.ru/0023-2912/article/view/670882
- DOI: https://doi.org/10.31857/S0023291224030012
- EDN: https://elibrary.ru/BMUYQH
- ID: 670882
Cite item
Abstract
Несмотря на значительный интерес исследователей, обледенение летательных аппаратов, автотранспорта, судов и оборудования при морской нефтедобыче остается актуальной проблемой. В данной работе рассматриваются факторы, способствующие снижению прочности контакта льда с поверхностью при приложении сдвиговой нагрузки. Основное внимание уделено изучению влияния скорости изменения сдвиговых напряжений на разрушение межфазного контакта льда с супергидрофобными покрытиями. Для измерения прочности адгезионного контакта в условиях контролируемого изменения приложенной нагрузки использовалась методика, основанная на отрыве льда с поверхности под действием центробежной силы. Исследование проводилось для больших ансамблей образцов в диапазоне температур от –5 до –20°C, что позволило качественно оценить влияние квазижидкого слоя и эффекта Ребиндера на понижение сдвиговой адгезионной прочности. Полученные результаты свидетельствуют о том, что разрушение контакта льда с супергидрофобным покрытием происходит по смешанному вязко-хрупкому механизму. При этом при снижении температуры или увеличении скорости возрастания нагрузки происходит переход от вязкого к хрупкому разрушению. Эти результаты указывают на потенциальное ускорение сбрасывания льда при увеличении скорости изменения сдвиговых напряжений.
Full Text

About the authors
К. А. Емельяненко
Институт физической химии и электрохимии им. А. Н. Фрумкина РАН
Author for correspondence.
Email: emelyanenko.kirill@mail.ru
Russian Federation, 119071, Москва, Ленинский просп., 31, корп. 4
А. М. Емельяненко
Институт физической химии и электрохимии им. А. Н. Фрумкина РАН
Email: emelyanenko.kirill@mail.ru
Russian Federation, 119071, Москва, Ленинский просп., 31, корп. 4
Л. Б. Бойнович
Институт физической химии и электрохимии им. А. Н. Фрумкина РАН
Email: emelyanenko.kirill@mail.ru
Russian Federation, 119071, Москва, Ленинский просп., 31, корп. 4
References
- Емельяненко К.А., Емельяненко А.М., Бойнович Л.Б. Обзор современного состояния исследований адгезионных явлений на границах твердых тел с твердыми и жидкими водными средами // Коллоид. журн. 2022. Т. 84. № 3. С. 274–300. https://doi.org/10.31857/S002329122203003X
- Boinovich L.B., Emelyanenko, A.M. Recent progress in understanding the anti-icing behavior of materials // Adv. Colloid Interface Sci. 2024. V. 323. P. 103057. https://doi.org/10.1016/j.cis.2023.103057
- Lambley H., Graeber G., Vogt R., Gaugler L.C., Baumann E., Schutzius T.M., Poulikakos D. Freezing-induced wetting transitions on superhydrophobic surfaces // Nature Physics. 2023. V. 19. P. 649–655. https://doi.org/10.1038/s41567-023-01946-3
- Wang Y., Zhang J., Dodiuk H., Kenig S., Ratto J.A., Barry C., Mead J. The reduction in ice adhesion using controlled topography superhydrophobic coatings // J. Coat. Technol. Res. 2023. V. 20. № 2. P. 469–483. https://doi.org/10.1007/s11998-022-00682-2
- Kulinich S.A., Farzaneh M. On ice-releasing properties of rough hydrophobic coatings // Cold Reg. Sci. Technol. 2011. V. 65. № 1. P. 60–64. https://doi.org/10.1016/j.coldregions.2010.01.001
- Boinovich L.B., Emelyanenko K.A., Emelyanenko A.M. Superhydrophobic versus SLIPS: Temperature dependence and the stability of ice adhesion strength // J. Colloid Interface Sci. 2022. V. 606. P. 556–566. https://doi.org/10.1016/j.jcis.2021.08.030
- Yeong Y.H., Wang C., Wynne K.J., Gupta M.C. Oil-infused superhydrophobic silicone material for low ice adhesion with long-term infusion stability // ACS Appl. Mater. Interfaces 2016. V. 8. № 46. P. 32050–32059. https://doi.org/10.1021/acsami.6b11184
- Ouyang M., Guo R., Fan Y., Zhou Y., Wu C., Chen L., Huang S., Tian X. Ultralow-adhesion icephobic surfaces: Combining superhydrophobic and liquid-like properties in the same surface // Nano Research. 2023. V. 16. № 1. P. 589–598. https://doi.org/10.1007/s12274-022-4746-z
- Work A., Lian Y. A critical review of the measurement of ice adhesion to solid substrates // Prog. Aerosp. Sci. 2018. V. 98. P. 1–26. https://doi.org/10.1016/j.paerosci.2018.03.001
- Rønneberg S., Laforte C., Volat C., He J.Y., Zhang Z. The effect of ice type on ice adhesion // AIP Adv. 2019. V. 9. № 5. P. 055304. https://doi.org/10.1063/1.5086242
- Rønneberg S., Zhuo Y., Laforte C., He J., Zhang Z. Interlaboratory study of ice adhesion using different techniques // Coatings. 2019. V. 9. № 10. P. 678. https://doi.org/10.3390/coatings9100678
- Boinovich L.B., Chulkova E.V., Emelyanenko K.A., Domantovsky A.G., Emelyanenko A.M. The mechanisms of anti-icing properties degradation for slippery liquid-infused porous surfaces under shear stresses // J. Colloid Interface Sci. 2022. V. 609. P. 260–268. https://doi.org/10.1016/j.jcis.2021.11.169
- Rønneberg S., He J., Zhang Z. The need for standards in low ice adhesion surface research: A critical review // J. Adhes. Sci. Technol. 2020. V. 34. № 3. P. 319–347. https://doi.org/10.1080/01694243.2019.1679523
- Rehfeld N., Brassard J.-D., Yamazaki M., Sakaue H., Balordi M., Koivuluoto H., Mora J., He J., Pervier M.-L., Dolatabadi A., Asenath-Smith E., Järn M., Hou X., Stenzel V. Round-robin study for ice adhesion tests // Aerospace. 2024. V. 11. № 2. P. 106. https://doi.org/10.3390/aerospace11020106
- Wang C., Gupta M.C., Yeong Y.H., Wynne K.J. Factors affecting the adhesion of ice to polymer substrates // J. Appl. Polymer Sci. 2018. V. 135. № 24. P. 45734. https://doi.org/10.1002/app.45734
- Piscitelli F. Characterization in relevant icing conditions of two superhydrophobic coatings // Appl. Sci. 2022. V. 12. № 8. P. 3705. https://doi.org/10.3390/app12083705
- Mora J., García P., Carreño F., Montes L., López-Santos C., Rico V., Borras A., Redondo F., González-Elipe A.R., Agüero A. Could superhydrophobic surfaces be a realistic solution for running-wet areas? // SAE Technical Paper. 2023. № 2023–01–1446. https://doi.org/10.4271/2023–01–1446
- Yeong Y.H., Sokhey J., Loth E. Ice Adhesion on Superhydrophobic Coatings in an Icing Wind Tunnel. In: Wohl, C., Berry, D. (eds). Contamination Mitigating Polymeric Coatings for Extreme Environments. Advances in Polymer Science, V. 284. Springer, Cham. 2018. P. 99–121. https://doi.org/10.1007/12_2017_32
- Emelyanenko A.M., Boinovich L.B. Application of dynamic thresholding of video images for measuring the interfacial tension of liquids and contact angles // Instrum. Exp. Tech. 2002. V. 45. № 1. P. 44–49. https://doi.org/10.1023/A:1014544124713
- Emelyanenko A.M., Boinovich L.B. The role of discretization at the video image processing of sessile and pendant drop profiles // Colloids Surf. A. 2001. V. 189. № 1–3. P. 197–202. https://doi.org/10.1016/S0927–7757(01)00585–4
- Кузина Е.А., Омран Ф.Ш., Емельяненко А.М., Бойнович Л.Б. О важности подбора режима гидрофобизации для получения стойких супергидрофобных покрытий // Коллоидн. журн. 2023. Т. 85. № 1. С. 63–70. https://doi.org/10.31857/S0023291222600614
- Jin P., Yan X., Hoque M.J., Rabbi K.F., Sett S., Ma J., Li J., Fang X., Carpenter J., Cai S., Tao W., Miljkovic N. Ultra-low ice-substrate adhesion and self-deicing during droplet impact freezing // Cell Rep. Phys. Sci. 2022. V. 3. № 5. P. 100894. https://doi.org/10.1016/j.xcrp.2022.100894
- Fang W.Z., Zhu F., Zhu L., Tao W.Q., Yang C. Self-peeling of frozen water droplets upon impacting a cold surface // Commun. Phys. 2022. V. 5. № 1. P. 51. https://doi.org/10.1038/s42005-022-00827-0
- Deng K., Feng X., Tan X., Hu Y. Experimental research on compressive mechanical properties of ice under low strain rates // Mater. Today Commun. 2020. V. 24. P. 101029. https://doi.org/10.1016/j.mtcomm.2020.101029
- Petrovic J.J. Review mechanical properties of ice and snow // J. Mater. Sci. 2003. V. 38. P. 1–6. https://doi.org/10.1023/A:1021134128038
- Song Z., Chen R., Guo D., Yu C. Experimental investigation of dynamic shear mechanical properties and failure criterion of ice at high strain rates // Int. J. Impact Eng. 2022. V. 166. P. 104254. https://doi.org/10.1016/j.ijimpeng.2022.104254
- Potekaev A.I., Parvatov G.N., Skripnyak V.V., Skripnyak V.A. Physical and mechanical behavior of ice under dynamic loading // Russ. Phys. J. 2021. V. 64. № 6. P. 1060–1066. https://doi.org/10.1007/s11182-021-02466-4
- Spiegel S. Recent advances in applied polymer science // J. Appl. Polymer Sci. 2018. V. 135. № 24. P. 46279. https://doi.org/10.1002/app.46279
- Wood M.J., Brock G., Servio P., Kietzig A.M. Leveraging solidification dynamics to design robust ice-shedding surfaces // ACS Appl. Mater. Interfaces. 2022. V. 14. № 33. P. 38379–38387. https://doi.org/10.1021/acsami.2c10656
- Boinovich L., Emelyanenko A.M. Role of water vapor desublimation in the adhesion of an iced droplet to a superhydrophobic surface // Langmuir. 2014. V. 30. № 42. P. 12596–12601. https://doi.org/10.1021/la503447f
- Щукин Е.Д., Савенко В.И., Малкин А.И. Лекции по физико-химической механике. М.: Nobel Press, 2015. 679 c.
- Saletti D., Georges D., Gouy V., Montagnat M., Forquin P. A study of the mechanical response of polycrystalline ice subjected to dynamic tension loading using the spalling test technique // Int. J. Impact Eng. 2019. V. 132. P. 103315. https://doi.org/10.1016/j.ijimpeng.2019.103315
- Schulson E.M. Brittle failure of ice // Eng. Fract. Mech. 2001. V. 68. № 17–18. P. 1839–1887. https://doi.org/10.1016/S0013-7944(01)00037-6
- Slater B., Michaelides A. Surface premelting of water ice // Nat. Rev. Chem. 2019. V. 3. № 3. P. 172–188. https://doi.org/10.1038/s41570-019-0080-8
- Churaev N.V., Sobolev V.D. Disjoining pressure of thin unfreezing water layers between the pore walls and ice in porous bodies // Colloid J. 2002. V. 64. P. 508–511. https://doi.org/10.1023/A:1016884407413
- Fiedler J., Boström M., Persson C., Brevik I., Corkery R., Buhmann S.Y., Parsons D.F., Full-spectrum high-resolution modeling of the dielectric function of water // J. Phys. Chem. B. 2020. V. 124. № 15. P. 3103–3113. https://doi.org/10.1021/acs.jpcb.0c00410
- Elbaum M., Schick M. Application of the theory of dispersion forces to the surface melting of ice // Phys. Rev. Lett. 1991. V. 66. № 13. P. 1713. https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.66.1713
- Luengo-Márquez J., Izquierdo-Ruiz F., MacDowell L.G. Intermolecular forces at ice and water interfaces: Premelting, surface freezing, and regelation // J. Chem. Phys. 2022. V. 157. № 4. P. 044704. https://doi.org/10.1063/5.0097378
- Boström M., Kuthe S., Carretero-Palacios S., Esteso V., Li Y., Brevik I., Gopidi H.R., Malyi O.I., Glaser B., Persson C. Understanding ice and water film formation on soil particles by combining density functional theory and Casimir–Lifshitz forces // Phys. Rev. B. 2023. V. 108. № 12. P. 125434. https://doi.org/10.1103/PhysRevB.108.125434
- Starov V.M., Churaev N.V. Thickness and stability of liquid films on nonplanar surfaces // Colloid J. 1978. V. 40. № 5. P. 757–761.
- Boinovich L., Emelyanenko A. The prediction of wettability of curved surfaces on the basis of the isotherms of the disjoining pressure // Colloids Surf. A. 2011. V. 383. № 1–3. P. 10–16. https://doi.org/10.1016/j.colsurfa.2010.12.020
- Silin D., Virnovsky G. A variational model of disjoining pressure: Liquid film on a nonplanar surface // Transp. Porous Med. 2010. V. 82. P. 485–505. https://doi.org/10.1007/s11242–009–9424-z
- Tian Z., Fan P., Zhu D., Wang L., Zhao H., Chen C., Peng R., Li D., Zhang H., Zhong M. Anti-ice-pinning superhydrophobic surfaces for extremely low ice adhesion // Chem. Eng. J. 2023. V. 473. P. 145382. https://doi.org/10.1016/j.cej.2023.145382
- Rebinder P.A., Shchukin E.D. Surface phenomena in solids during the course of their deformation and failure // Sov. Phys. Usp. 1973. V. 15. № 5. P. 555. https://doi.org/10.1070/PU1973v015n05ABEH005006
- Boinovich L.B., Emelyanenko A.M. Anti-icing potential of superhydrophobic coatings // Mendeleev Commun. 2013. V. 23. № 1. P. 3–10. https://doi.org/10.1016/j.mencom.2013.01.002
- Jellinek H.H., Kachi H., Kittaka S., Lee M., Yokota R. Ice releasing block-copolymer coatings // Colloid Polymer Sci. 1978. V. 256. P. 544–551. https://doi.org/10.1007/BF01639199
Supplementary files
