CN1077062C - 改变冰粘附强度的系统 - Google Patents

Abstract

本发明包括用于改变冰粘附到物体上的冰粘附强度的系统。该系统包括与物体绝缘的电极以及与物体和电极连接的如电池的直流电源。当冰接通回路时，电源对冰和物体间的界面产生一直流偏压。物体是导电体或经掺杂而成的半导体以便直流偏压施加一电压到界面上，与界面上为O偏压时的冰粘附强度相比，可选择地改变冰粘附强度。粘附强度可相对于静态(没施加电压时的状态)增加或减小。这样，如飞机机翼上的冰可花费少的劳动除去。该系统最好包括位于物体和电极之间的电绝缘材料；绝缘材料基本上与物体和电极的形状相似。在大多数应用中，电极包括一个与物体表面形状相似的栅格电极，栅格电极的每个点与电源电连接。对应地，一个栅格绝缘体一般放置在物体和栅格电极之间。本发明对物体具有高的适用性，如飞机机翼、汽车风挡玻璃、雪橇底部、鞋跟或靴底或鞋，以及电线的外部材料。本发明也包括一种铁电、铁磁或半导体涂层，该涂层涂覆在电线上以自动调节电线的温度至稍高于融点。

Description

改变冰粘附强度的系统

本申请是1997年6月16日提交的申请号为60/049790、1998年3月27日提交的申请号为60/079,623以及1998年3月30日提交的申请号为60/079,915的共同拥有和临时申请的继续申请，其中每一件申请在这里被引作参考。

根据陆军研究局(Army Research Office)授权的#DAAH04-95-1-0189号授权书所规定，美国政府在本发明中具有某些权利。

本发明涉及用于改变在冰与所选择的材料之间的冰粘附强度的系统和方法。具体地说，本发明涉及这样的系统和方法，即，该系统向冰与这种材料之间的界面施加电能，以增加或减少冰粘附强度，从而得到所期望的结果。

冰粘附到某些表面上会引起很多问题。例如，过多的冰累积在飞机机翼上会危及飞机及乘客的安全。船体上的冰会造成航海的困难，要消耗额外的能量以穿过水和冰进行航行，以及会造成某些不安全的状态。大多数人把需要刮去汽车挡风玻璃上的冰看作是一件非常麻烦和总要重复的事情；任何残留的冰都使驾驶员的能见度和安全性受到危害。

结冰和冰的附着还会使直升飞机的桨叶和公路出现问题。要花费亿万美元用于除去和控制冰雪。冰还会粘附到金属、塑料、玻璃和陶瓷上，造成其它日常困难。

电线上结冰也会产生问题。冰增加了电线的重量，这会引起断电，在这方面直接和间接损失达数十亿美元。

在现有技术中，有各种处理冰的粘附问题的方法，大多数技术包括了铲刮、融化或破碎的方式。例如，在航空工业中，人们把诸如乙二醇之类的除冰溶液浇到飞机机翼上，以融化机翼上的冰。这种方法既费钱又不利于环保；然而考虑到乘客安全方面的危险而准许使用这种方法。另外的飞机使用沿机翼的前方定位的橡胶管，该管周期性地膨胀以破碎机翼上的冰。还有其它的飞机是将喷气发动机的热量转移到机翼上，以融化冰。

这些已有技术中的方法具有局限性和许多困难。首先，螺旋浆推进的飞机不具有喷气发动机。第二，位于机翼前方的橡胶管降低空气动力学效率。第三，除冰的费用是非常昂贵的，每次除冰要花费2500美元至3500美元；每天在某些飞机上的除冰次数达10次左右！

上述问题的产生一般是缘于冰易于粘附并固结到表面上。当然，冰还会在以下方面造成困难，即，冰的摩擦系数非常低。例如，每年道路上的冰会导致众多的交通事故，既造成人员伤亡又造成财产损失。如果汽车轮胎能够更有效地在冰上制动，则将会减少许多交通事故。

因此，本发明的目的是提供一些有助于改变冰的粘附强度的系统和装置。

本发明进一步的目的是提供一些用于减少冰在运载工具的表面如飞机机翼、船体和汽车挡风玻璃上的粘附的系统，以有助于将冰除去。本发明再一个目的是提供一些用于增加被冰覆盖的道路与汽车轮胎之间的摩擦系数以及增加冰与其它物体如鞋底和越野雪橇之间的摩擦系数的系统。

本发明的上述这些目的和其它的目的将在下文中变得更加清楚。

如果在冰与冰所固结的表面之间的冰粘附强度降低，则上述问题中的某些问题将会减少。例如，如果冰与飞机机翼之间的粘附强度被足够降低，则风压、振动、或轻微的人工冲刷将会把冰从机翼上除去。同样，如果冰与汽车挡风玻璃之间的粘附强度被降低，则除冰的困难将大大减少。

如果在冰和与冰相接触的表面之间的冰粘附强度被增加，则上述问题中的其它一些问题将会减少。例如，如果在汽车轮胎与结冰的道路之间增加冰的粘附强度，则将会减少打滑和减少交通事故。冰具有一定的物理性能，这使得本发明能够有选择地改变冰对导体(和半导体)表面的附着力。首先，冰是一种质子半导体，是半导体的一个小类，其带电载体是质子而不是电子。这一现象起因于冰内的氢键作用。出现氢键是因为冰中水分子的氢原子与氧原子分担它们的电子。因而，水分子晶核一唯一的一个氢核--与相邻的水分子保持有效的结合。

与典型的电子基半导体相类似，冰是导电体。当这种导电性较弱时，通过添加化学剂可以改变其导电性，这里所述的化学剂贡献或接收额外的带电载体粒子，也就是，在呈冰状的情况下所述带电载体粒子是质子。冰的另一个物理性能是它的可蒸发性。基体的可蒸发性是在基体表面上蒸气压力的一种作用。在大多数材料中，在液相与固相的界面上蒸气压力迅速下降。但在冰中，在液相与固相的界面上蒸气压力实际上没有变化，其原因在于冰的表面被液状层(“LLL”)所覆盖。

所述的液状层LLL具有重要的物理特性。首先，该液状层LLL只有几毫微米厚。第二，其粘度范围是从结冰或接近结冰温度下的几乎与水一样的粘度至较低温度下的非常粘。此外，该液状层存在于低到-100℃的温度下，这样实际存在于几乎是飞机周围的温度。

所述LLL还是冰的粘附强度的一个主要参数。例如，如果有人将冰的光滑表面与一飞机机翼的光滑表面相接触，则在两表面之间的实际接触面积是在这两表面之间的总界面面积的千分之一的数量级。该LLL起两表面之间湿润介质的作用--在几乎所有粘附中是最主要的--并充分增加上述表面之间的有效接触面积。

冰的半导体性质和LLL的结合允许人们可选择地控制冰与其他表面之间的冰粘附强度。通常，一块冰中的水分子是随机排列的。然而，在表面上水分子基本上沿同一方向定向，或者向外或者向内。结果，所有质子以及正电荷或者向外或者向内。

然而确切的机理还不知道，它很可能是由于在LLL内冰分子的随机性向一定方向转变所造成的。然而，排序的结果是，在表面上出现电荷、或者正或者负电荷的高密度。因此，如果在与冰接触的表面上产生一个电荷，那么，就可能有选择地改变两个表面之间的附着力。像电荷的同性排斥和异性吸引一样，在冰和其他表面的截面之间施加一外部电偏压就可以或者减小或者增加冰和表面之间的附着力。

一方面，本发明提供一个电源，该电源在冰和结冰的表面之间的界面上施加一直流电压。例如，导电表面可能是一飞机机翼或船壳(或者甚至是涂覆在结构体上的漆)。一个第一电极与表面连接；一非导电或电绝缘材料作为栅格覆盖在表面上；一用导电材料如导电漆制成的第二电极形成在绝缘材料之上，但不与表面接触。第二电极的表面面积与该系统所保护的总表面面积相比应该是小的。例如，受保护的表面面积(也就是“无冰”的面积)应该至少约十倍于第二电极的表面面积。

一条或多条电线将第二电极连接至电源；同时一条或多条电线将第一电极连接至电源。在表面上形成的冰和第二导电栅格电极形成了回路。然后电压选择性地施加到该回路上，这可控制地改变冰与该表面的冰粘附强度。

一调压子系统也最好与该回路连接，以可调地控制施加到界面上的电压，以实现对冰粘附强度的控制。例如，由不同离子浓度制成的冰可以改变冰粘附强度最小时的最佳电压；因此该调压子系统提供一个可选择改变最小值的机构。

其它子系统最好与该回路连接以提供其他性能，例如检测水或冰是否形成回路。一方面，电源是一个直流电源(如一个电池)，该直流电源给回路提供电压且与除冰电极连接。另一方面，一直流电流表与该回路连接以测量冰(即，使形成在表面和第二栅格电极的任一部分上两电极“短路”的半导体层)的直流导电率。另一方面，一交流电源与该回路连接以可选择地产生约10kHz和100kHz之间的交流电压。根据另一方面，一交流电流表也与该回路连接，以测量频率在10-100kHz范围内时冰的交流导电率。另一方面，一电流比较器比较交流和直流导电率。

因而，这些方面所提供的电路可以，例如，区分在表面上形成的半导体层是否是可能产生危险的冰或表面水。水的交流导电率(在上述范围内)和直流导电率基本上是一样的。然而，对于冰，交流导电率和直流导电率相差2-3个数量级。导电率的差别可以分别用电流表测量并用电流比较器比较。当导电率的差别比一预定数值点大时，电流比较器就发出一个结冰报警信号。此时，例如，调压子系统可以运行以给回路施加一个直流偏压，从而以一足以减小冰粘附强度的所期望电场强度施加到界面上。根据本发明的一个方面，当在机翼上检测到冰时，该结冰报警器启动系统内的反馈回路，该回路(a)测量冰的导电率；(b)决定达到最小(或接近最小)冰附着力状况的合适的偏电压；和(c)将偏电压施加到冰一机翼界面上以有助于除冰。

那些本领域技术人员应该知道，上述系统可以应用到许多需要减小冰粘附强度的表面上，如汽车的风挡玻璃、船壳和电线。在这些情况下，如果材料表面是弱导电性的，就需要对表面材料“掺杂”以使之充分导电。掺杂技术对那些本领域技术人员是公知的。例如，汽车轮胎可以掺碘使橡胶导电。同样地，汽车玻璃可以或者掺ITO或者掺有SnO₂的氟化物使风挡玻璃成为一个可接受的半导体。

然而，在另一方面，上述系统和回路也可以应用到需要增大冰粘附强度的情况。在此方面，例如，当结冰报警器检测到冰时，该系统启动反馈回路来调整施加到界面上的直流电压，以增大冰附着力。例如，可受益于本系统的情况和表面包括结冰道路上的鞋底(或鞋子)和汽车轮胎。

在另一方面，本发明可以包括一个可变的冰粘附/电压控制子系统，该子系统可选择地增加并随后减小冰与一表面之间的冰粘附强度。例如，理想的越野雪橇(或曲膝旋转雪橇)在爬坡(或在某种情况下从坡上下降时)应有较高的摩擦力，而在从坡上“滑”下时应有较低的摩擦力。根据本发明的一个方面，这里所述的冰附着系统和回路与雪橇连在一起，操作者能够可选择地调整控制雪橇的摩擦力。

另一方面，本发明提供一种用于减小汽车风挡玻璃(或任何玻璃)上冰粘附强度以使冰容易除去的方法。在本方法中，窗玻璃或风挡玻璃掺有杂质以使玻璃成为一半导体(即，窗玻璃是导电的)。第一电极与窗玻璃连接；第二栅格电极悬在风挡玻璃的上面且不与风挡玻璃接触。例如，第二电极可以用于在栅格电极和风挡玻璃之间的一电绝缘栅格。绝缘材料和第二电极最好是透明的，这样用户可以看到窗玻璃外面。当冰在风挡玻璃上形成时，从第二电极到窗玻璃(即第一电极)形成一电流通道。因而当冰在窗玻璃和栅格的任何部分形成时，冰就使回路“短路”。然后通过电极施加电压，这样如这里所述就减小了冰粘附强度。电极的面积最好远远小于冰与风挡玻璃之间界面的全部面积。

在另一方面，本发明提供了一种用于增加汽车轮胎和结冰道路之间摩擦系数的方法。一交流高压电源与汽车相连，将电势传递给道路与轮胎之间的截面。一般地，交流电频率约在1kHz--1000kHz之间。轮胎是用例如碳处理的或掺杂有碘的导电材料制造的，因此电流可以流过轮胎。然后选择电压来增加冰相对于轮胎的粘附强度，从而增加在结冰路面上轮胎的牵引力。

本发明的其它有用背景技术可以参照下列文件中，其每一篇在这里引为参考：Petrenko著的静电场对冰摩力的影响J.Appl.Phys.76(2)，1216-1219(1994)；Petrenko著的由冰和雪摩擦所产生的静电场J.Appl.Phys.77(9)，4518-4521(1995)；Khusnatdinov等著的冰/固体界面的电性能J.Phys.Chem.B，101，6212-6214(1997)；Petrenko著的用显微扫描方法对冰、冰/固体和冰/液体表面的研究J.Phys.Chem.B，101，6276-6281(1997)；Petrenko等著的电荷载体的表面状态和冰表层的电性能J.Phys.Chem.B，101，6285-6289(1997)；及Ryzhkin等著冰粘附的物理机理J.Phys.Chem.B，101，6267-6270(1997)。

下面将结合优选实施例对本发明进行描述，显然，本领域技术人员在不脱离本发明范围的情况下，可对本发明进行各种增加、减少和修改。

通过参照附图可对本发明更加完整清楚地理解。

图1A-1D用图表表示冰--空气和冰--金属界面附近电荷密度ρ(x)的空间分布；

图2A-2C图示直流偏电压对液态金属(水银)与冰的粘附的影响，较小的接触角θ表示更强的粘附；

图3示意地表示一用于测量如图2所示冰--水银界面能的冰压力计；

图4用图表表示对于冰掺杂有0.5％的NaCl、T＝-10℃时，直流偏压与冰--水银界面能的实验结果；

图5用图表表示每表面单位冰遮蔽层的静电能We与表面电势Vs(T＝-10℃)的关系；

图6用图表表示每表面单位冰--金属界面的附着能Wa随距离z而变化，曲线1、2和3分别对应于由D缺陷(D defects)、H₃O⁺离子和质子完全占用(固定占用曲线)，曲线4描述对于表面质子状态附着能关于距离的平衡曲线(T＝-10℃)；

图7图表表示D缺陷表面状态占用系数f随表面状态能Es而变的曲线(T＝-10℃)；

图8示意地表示--根据本发明的计算系统，用于测量直流偏压对冰附着不锈钢的影响；

图9图表表示用图8所示系统测量的在没有电压施加到可移动钢电极上时冰--不锈钢界面剪切力和时间关系曲线，冰是将NaCl放入蒸馏水中制成0.5％的溶液而结成的，测试温度T＝-10℃，恒定应变率为100μm/min；

图10图表表示用图8所示系统测量的将+6.6V电压施加到可移动钢电极上时冰--不锈钢界面剪切力和时间关系曲线，冰是由NaCl放入蒸馏水中制成0.5％的溶液而形成的，测试温度T＝-10℃，恒定应变率为100μm/min；

图11图表表示用图8所示系统测量的将-1.8V电压施加到可移动钢电极上时冰--不锈钢界面剪切力和时间关系曲线，冰是由NaCl放入蒸馏水中制成0.5％的溶液而形成的，测试温度T＝-10℃，恒定应变率为100μm/min；

图12图表表示使用图9和图10的数据时+6.6V电压对界面粘附强度的影响；图12A和图12B图表表示掺杂有0.5％NaCl的冰在-10℃下的实验数据，以估算冰/钢界面的相对强度；图12C表示在冰/金属界面上随着界面破裂气泡是如何产生的，以减小界面粘附强度；

图13表示ΔW_A＝Δ(W_i/a-W_i/Hg)和电流I与直流偏压V的实验结果关系曲线，冰是用掺杂有0.5％NaCl的水制成的，温度T＝-10℃，W_A(O)＝400±10mJ/m²；

图14表示ΔW_A＝Δ(W_i/a-W_i/Hg)和电流I与直流偏压V的实验结果关系曲线，冰是用掺杂有0.18％HF的水制成的，温度T＝-10℃，W_A(0)＝360±15mJ/m²；

图15表示ΔW_A＝Δ(W_i/a-W_i/Hg)和电流I与直流偏压V的实验结果关系曲线，冰是用掺杂有0.2％KOH的水制成的，温度T＝-10℃，W_A(0)＝293±25mJ/m²；

图16表示电流对时间的实验结果关系曲线，冰样是用掺杂有0.2％KOH的水制成的，温度T＝-10℃，将-1V的电压施加到水银上；

图17表示一个根据本发明构造的系统，该系统用于改变冰对普通导电(或半导体)材料的附着力；

图17A表示图17系统的剖面图(未按比例)；

图18表示一个根据本发明构造的系统，用于减小在机翼上形成的冰的粘附强度；

图19表示一个根据本发明在飞机机翼上构造的导电漆/绝缘漆栅格；

图20表示根据本发明的另一实施例，用于改变附着在飞机机翼上的冰的冰粘附强度；

图21示意地表示一个根据本发明构造的系统，用于改变汽车轮胎和结冰道路之间的冰粘附强度；

图22表示一个根据本发明构造的另一系统，用于将电压传输给汽车轮胎和一结冰表面之间的界面，以增加两者之间的摩擦系数；

图23表示一个用于改变冰与汽车风挡玻璃之间的冰粘附强度的系统；图23A表示其另一实施例；

图24表示一个本发明的实施例，用于减小冰与电线之间冰粘附强度；图24A表示根据本发明的电线的剖面图(未按比例)；

图25表示一个本发明的实施例，用于可选择地改变冰与雪橇之间冰粘附强度，以增加或减小雪橇与雪和/或冰之间的摩擦力；

图27表示一个本发明的实施例，通过在电线上采用涂层以除去电线上的冰和雪；及

图28表示根据本发明在非活性表面上涂覆一铁电涂层，以除去非活性表面上的冰。

本发明包括通过向冰与金属和半导体之类的材料之间的界面施加直流偏压来改变冰粘附到所述材料上的粘附强度的系统和方法。采用本发明可降低冰在上述这些材料上的附着力，在某些情况下可消除冰在上述这些材料上的粘附。

在一些实施例中，本发明改变静电的相互作用，这种静电的相互作用在冰与金属之间形成键。通过在冰与金属之间施加小的直流偏压，这些相互作用被有效地改变(减小或加强)。

实验和理论计算表明，冰的表面具有10^-2C/m²至3×10^-2C/m²的高密度电荷，见Petrenko等人的“在冰雪摩擦中电场的产生”，J.Appl.Phys.，77(9)：4518-21(1995)；Petrenko的“用扫描显微方法对冰表面、冰/固体和冰/液体界面的研究”，J.Phys.Chem.B，101，6276(1997)；和Dosch等人的“表面科学”366，43(1996)，上述的每一篇文章在这里被引作参考文献。这种电荷密度起源于冰层中水分子的极强的极化作用。这些现象在图1中被进一步图示。

图1A至图1D表示的是分子极化率P和空间电荷密度ρ随距冰—空气界面(见图1A—1C)或冰—金属界面(见图1D)距离之间的关系。在图1D中，金属中感应电荷的数量与冰中的电荷数量相等，但所带电荷的极性相反。图1的水平轴10表示相对于作为屏蔽长度“L”的距离X。图1A还表示接近所述表面的水分子极化率P(沿着纵轴12a)；图1B表示没有屏蔽时极化电荷的电荷密度ρ(沿着纵轴12b)，ρ(x)＝-dP/dx。图1C表示在具有由少数电荷载体形成的附加屏蔽时极化电荷的电荷密度ρ(沿着纵轴12c)。图1D中的曲线表示在靠近冰—金属界面的冰中(数据14a)的电荷密度ρ(相对于纵轴12d)和在靠近冰—金属界面的金属或绝缘材料中(数据14b)的电荷密度ρ。

冰表面的电荷与固体中感应电荷之间的相互作用影响了冰—固体界面的强度。据测算，两平面表面电荷的静电引力(负压P_el)由下列公式计算： $P_{\mathrm{el}}=\frac{{\mathrm{\ϵ}}_0\mathrm{\ϵ}{E}^{\′}}{2}-----\left(1\right)$

其中ε₀是真空中绝缘介电常数，E是上述电荷之间空间的电场强度。由于图1D所示的电荷分布决定了两种材料的接触电压Vc，所以我们可以计算E为Vc/L，其中L是位于冰中和位于固体中的平面电荷之间的距离。冰—金属界面的Vc从零点几伏电压变化至约1伏。见Buser等人的“金属上冰颗粒的碰撞而引起的电荷分离；电子表面状态”，Journal ofGlaciology，21(85)：547-57(1978)，这篇文章在这里被引作参考文献。

取L≈1nm(在上述图示的搀有杂质的冰中主屏蔽长度)，ε＝3.2(冰的高频绝缘常数)，V_c＝0.5V(一般的接触电压数值)，方程式(1)提供了P_el≈3.3Mpa，该数值可与冰的宏观拉伸强度1.5Mpa相比，但超过冰的宏观拉伸强度。见Schul son等著的冰在拉伸情况下由脆向韧的转变，Phil.Mag.，49353-63(1984)，该文章在这里被引作参考文献。

冰表面电荷和金属之间静电相互作用能量的更复杂计算将在下面表示，它是利用实际空间分布和电荷衰减来计算的。特别地，下面所示的相互作用能量在-10℃时为0.01-0.5J/m²。较低的限度0.01J/m²与纯冰对应；而较高的数值0.5J/m²对应于掺杂较多的冰。这些数值可与下面所述的其它采用扫描测力显微方法(scanning force microscopy(SFM))得到的实验结果比较。SFM结果测定静电作用能量为0.08±0.012J/m²；而对于冰/金属粘附静电部分在冰/水银界面上实验值为0.150+/-0.015J/m²。

因为静电的相互作用有助于冰的粘附，所以通过在冰与导电材料(例如金属或半导体)之间的界面施加一外部直流偏压，来改变其粘附强度。

为测定直流偏压对冰粘附的影响，假定所述界面的模式为液—固界面，而不是固—固界面。实际上，当一种材料是液体而另一种材料是固体时，象在水—金属的情况下，决定粘附的界面能量在接触角度实验中能可靠地被测量。因此，如果金属呈液相，对于冰—金属界面可采用类似的技术。例如，熔点为-38.83℃、化学性质不活泼且易于形成光洁表面的水银就很适合于证明上述这种模式；在图2A至图2C中示出了小直流偏压对冰与水银粘附的影响。

图2A示出了汞18粘附到冰20上时的初始情况，此时的粘附强度用θ₀表示。因此，θ₀表示在没有施加电压的情况下的粘附强度(即，V＝0)。另一方面，图2B表示的是在由直流电源22施加了-1.75V电压的情况下得到的粘附强度θ₁。该电源22例如可以是一个电池或是现有技术中其它已知的电源。电线24将电源22与汞18以及冰20相连接，以组成一个完整的电路。图2C表示的是另一粘附强度θ₂，该粘附强度θ₂是在电源22提供了-5V的电压之后得到的。值得注意的是，即使所施加的电压从0V(图2A)变为-1.75V(图2B)，再变为-5V(图2C)，θ₂＜θ₀＜θ₁，显示出了通过小范围的负压差，粘附强度显著的变化。粘附强度θ₁表示与θ₂相比较或甚至与θ₀相比较相对较“弱”的粘附。另一方面，粘附强度θ₂是与θ₁和θ₀相比较相对较“强”的。

为测量图2中冰—水银界面16的表面张力，使用一个冰测压计26(示意性地表示在图3中)。对于图2中的电源22使用直流电源22′。将直流电流表28放置在测压计电路26中，以测量电流。在电路中，电源22′与汞18′相连接，电源22′还与网状电极30相连接，网状电极30与冰20′连接。因此，电流流过水银18′和冰20′而构成完整的电路26。通过小的毛细管32，汞18′与冰20′进行流体连通，所述的毛细管32的直径是经过选择的。当直流偏压改变时，汞18′与冰20′之间冰附着力发生变化并由于重力而调节汞18′在冰20′内(即，在毛细管32内向上延伸到冰20′中)的高度“h”。

具体地说，汞18′在毛细管32中的平衡位置h用下式表示：

h≌2·(W_i/a-W_i/Hg)/grρ    (2)

其中g是重力加速度，r是毛细管半径，ρ是汞的密度，W_i/a是冰—空气界面的表面能，W_i/Hg是冰—汞界面的表面能。测量h时，用方程式(2)计算W_i/Hg，并由此而计算冰对液体金属(汞)的粘附强度。在图3的测试过程中，毛细管的半径r是0.25mm或0.5mm。

如在图2和图3所示结构中的另外实验包括99.9998％纯电子级水银和用非常纯的去离子水、蒸馏水、未处理的自来水和搀有少量NaCl或KOH或HF的水生成的多晶冰。实验是在一个温度范围为-20℃至-5℃(±2℃)的冷房间内进行的(大多数测试是在温度为-10℃、相对湿度为89％至91％的条件下进行的)。对于搀有杂质的冰，应当注意的是，直流偏压对冰—汞界面能量具有很强的影响。能量变化Δ(W_i/a-W_i/Hg)的大小和正负符号取决于偏压的极性和大小，并取决于掺杂物的含量和类型。例如，图4表示Δ(W_i/a-W_i/Hg)与偏压V的关系曲线，其中所述偏压是在T＝-10℃的温度下测量的，冰中搀有0.5％的NaCl。如图所示，该偏压可降低或提高冰对汞的附着力：在大约-1.75V时，达到最小粘附强度；而从-2V至-6V，粘附强度增加。当NaCl含量在0.05％以上时，对界面能量的影响会更明显。

在NaCl含量较低的情况下，或在冰是由自来水形成的情况下，在施加一个低的直流偏压时，粘附强度的变化很小，并且可重复性差。另一方面，在冰掺杂有0.5％的NaCl的情况下，在施加偏压后，水银立刻移动；效果完全可逆，即，在偏压去掉之后，W_i/Hg又恢复了原来的数值。这些结果是可重复并易于观察到的，在毛细管半径r＝0.25mm的情况下，h的最大变化是12mm。

电流—电压特性的测量还表明，引起上述粘附强度改变的是电压而不是电流。例如，一般实验所产生的电流强度为数十微安；预计温度变化率小于10^-6℃/s。在搀有KOH或搀有HF的冰中，施加直流偏压会引起W_i/Hg的大小近似对称地下降，这是与搀有NaCl的冰的情况相比较而言的。施加幅度至40V、频率为10Hz至10kHz的交流电压，在W_i/Hg上不会产生任何显著的变化。在纯的去离子水或蒸馏水中，施加直流偏压至40V也不会对W_i/Hg产生显著的变化。这样，需要用1kV至3kV的电压来改变非常纯的冰对金属的附着力。纯冰和搀有杂质的冰对直流偏压的不同反应起因于它们屏蔽长度的不同和电荷衰减时间的不同。

上述实验证实冰—金属界面上的双电层对冰的附着起着重要的作用。虽然W_i/Hg的绝对值可能与在固体汞的情况下略有不同，但静电相互作用在两种情况中(即液体水银和固体水银)基本上是一样的。实验还表明，通过在冰与金属之间施加小的电势差，冰对金属的附着力得到有效的改变。当将直流偏压施加到含有不同杂质的冰上、不同的固体金属上和在不同的温度下的时候，冰的粘附强度也发生变化。

本发明人还根据在冰的表面上质子带电载体所存在的表面状态研究了一种冰粘附的静电模式。在大于一个分子间距的距离上，该模式给出了粘附能量大小的数量级，该粘附能量远大于化学键能量和范德华力。该模式还提供了对与时间和温度有关的现象的解释，即，解释说明冰的粘附性能和水的粘附性能之间的差异、冰和其它固体之间粘结的物理过程、以及冰和不同固体之间分子粘结的特性及强度。

将粘结方式分成三种中的一个是合理的：共价或化学键结合方式、电磁相互作用力(范德华力)的弥散或波动、或直接静电作用。见，如Israelachvili所著的分子间力和表面力，2nd.，Academic Press：London，Ch.2(1991)，在这里本文被引作参考文献。第一种方式对应于化学反应和界面化合物的形成。在共价或化学键结合中，由于固体相互作用波的重叠，粘附能量由该系统量子力学能量的降低而产生。这样的相互作用仅在0.1-0.2nm数量级的距离时是主要的。另外，此类型的粘附对粘附固体的化学性质非常敏感。在良好接触情况下，化学键结合方式能够提供≤0.5J/m²的粘附能量，该值被认为是化学键结合方式下粘附能量的最低值。

与化学键结合相对照，范德华力是长距离作用在所有物体之间的。这些力仅由固体的宏观特性(不同频率作用下的绝缘性能)决定，由于这样的原因，它们对实验条件相当不敏感。见，如Mahanty等著的弥散力，Academic Press：London，Ch.9(1976)；Barash等著的冷凝系统的绝缘材料功能，Eds.Keldysh等，Elsiever Science，Amsterdam，Ch.9(1989)，每篇文章均引为参考文献。

除了化学键结合和弥散力(dispersion forces)之外，包含非均衡或空间分离的电荷的两种固体也产生静电力。它的重要性和对粘附的重要性最近又被重新发现。见Stoneham等人J.Phys.C：固态物理，18，L543(1985)；及Hays所著粘附的基本原理，Ed.Lee，Lee，Plenum Press，New York，Ch.8(1991)，每篇均引作参考文献。

冰的粘附性能的模式

下面提出一种模式以描述冰表面的电性能。该模式展现了冰的粘附性与冰的其它性能之间的联系。用这种模式与范德华力、化学粘结方式以及实验结果相比较。

下面所讨论的该模式的主要结论是：静电的相互作用在冰的粘附中起着即使不是主要的也是重要的作用。在该模式中一个重要的参数是邻近冰—固体界面的水分子的顺序，或者换句话说，是质子带电载体的表面状态的特征。这对于在固体表面的一个模拟水分子的变化过程来说减少了问题。然而，下文的描述将假设：存在这样的表面状态，即，它可由质子点缺陷占据。这些表面位置的占据是由所俘获的带电载体的库仑能与表面位置的能量深度(energy depth)之间相互作用限定的。于是，表面位置的占据率(occupancy coefficient)(在非平衡的情况下)或表面位置的能量深度将被当作一个参数。

冰含有极性水分子，它们与任何下述这样的固体基体强烈相互作用，即所述固体基体具有与冰不同的电介质的介电常数。此外，理论和实验都证明冰中存在表面电荷。该表面电荷也与所述基体相互作用。这里，我们假设，上述表面电荷的产生是由于冰表面俘获了质子带电载体。所俘获的缺陷可能是D缺陷(D defects)、H₃O⁺离子、或质子。阳离子的尺寸小于阴离子，因为它们具有较少的电子或根本不具有电子，而是作为质子存在。这样，对于较小的距离，我们可以用镜象电荷理论，其中，电荷的电势能及其镜象可能少于冰中的电荷能。对于较大尺寸的负离子来说，达到这一点则更加困难。在热平衡时表面位置的占有率是不完全的，因为由所俘获的电荷载体而获得的能量增益通过静电能量的提高而得以补偿。然而，通过基体内部电荷的重新分布(通过感应电荷)，静电能量自身可显著降低。这将导致表面位置的完全占有和相当高的粘附能(接近静电能量)。

下面描述冰下表面层中电荷载体的空间分布。泊松方程的第一部分可写成下列形式： $E=\frac{{\mathrm{\σ}}_0}{{\mathrm{\ϵ\ϵ}}_0}f\left(V\right)----\left(3\right)$

其中，E和V分别是电场强度和静电电势(E和V都是空间坐标Z的函数)；σ₀＝e_B·λ·N；e_B是Bjerrum缺陷的有效电荷；N是水分子的浓度；λ是由 给出的屏蔽长度；ε和ε₀分别是冰的介电常数(≈3.2)和真空的介电常数，k和T分别是玻尔兹曼(Boltmann)常数和温度。函数f(V)是由下列方程式定义： $f\left(V\right)=\sqrt{\ln (a\left(V\right)\·a(-V)\·b^2\left(V\right)\·b(-V))}----\left(4\right)$ $a\left(V\right)=\frac{\exp (E_i/2\mathrm{kT})+(4/3)\exp (e_{i}V/\mathrm{kT})}{\exp (E_i/2\mathrm{kT})+4/3}---\left(5\right)$ $b\left(V\right)=\frac{\exp (E_B/2\mathrm{kT})+\exp (e_{B}V/\mathrm{kT})}{\exp \left(E_{B}2\mathrm{kT}\right)+1}---\left(6\right)$

这里，我们用Bjerrum缺陷作为在表面位置上被俘获的电荷载体。方程式(3)在冰晶体的任何点上都成立。将它应用到冰的表面上，我们得到表面电荷密度σs与表面电势Vs之间的关系：σ_s＝σ_of(V_s)。

用方程式(3)至(6)，我们现在可以对冰的粘附能量计算静电分布。首先，冰的屏蔽层的静电能量是作为表面电势的函数而进行计算的，因为它给出了粘附能量的上限。用静电能量的定义和方程式(3)我们得到： $W\left(V_s\right)=\underset{0}{\overset{\∞}{\∫}}\frac{{\mathrm{\ϵ\ϵ}}_0}{2}{E}^2\mathrm{dx}=-\frac{{\mathrm{\σ}}_0}{2}\·\underset{0}{\overset{\∞}{\∫}}f\left(V\right)\·\frac{\mathrm{dV}}{\mathrm{dx}}=\frac{{\mathrm{\σ}}_0}{2}\·\underset{0}{\overset{v}{\∫}}f\left(V\right)\mathrm{dV}---\left(7\right)$

在图5中画出了W_e--V_s曲线。Bjerrum D缺陷、阳离子缺陷H₃O⁺、或质子的完全占有率使表面电势分别是Vs≈1.47V，2.50V，和5.13V。按照图5，H₃O⁺离子、Bjerrum缺陷和质子对表面位置的完全占有率分别相应于粘附能量的上限为0.8J/m²、0.32J/m²和1.35J/m²。较小的值用于不完全占有。利用表面电荷密度与表面电势之间的关系，可计算出能量--表面电荷密度关系。

现在让我们考虑金属板与冰表面相距距离为d的情况。冰中不均匀的电荷分布将感应出所述金属上的表面电荷，并因此而形成冰与金属板之间的电场。该系统每单位面积的总静电能量可写成下列形式： $W_e(d,V)=\frac{{\mathrm{\σ}}_0^2\·d}{2{\mathrm{\ϵ\ϵ}}_0}\·[f\left(V\right)-\frac{\mathrm{\σ}}{{\mathrm{\σ}}_0}{]}^2+\frac{{\mathrm{\σ}}_0}{2}\·\underset{0}{\overset{v}{\∫}}f(V\′)\mathrm{dV}\′---\left(8\right)$

然而，在方程式(8)中V是冰的表面电势，对于距离d的每一个值必须从能量的最小值中找到所述的V值。表面能量密度可被认为一个常数，可证明对应于表面位置的非均衡占有率。为了计算W_e(d，V)的最小值，我们得出每单位面积的粘附能量是d的函数：

W_a(d)＝W_min(d)-W_min(∞)    (9)

对于被Bjerrum D缺陷、阳离子缺陷H₃O⁺、和质子完全占据的同样的情况，在图6中画出了这一函数，分别如数据曲线1、2和3所示。

在平衡条件下，在距离d减小的情况下，冰的表面密度增加，这是因为冰表面的电荷由金属板上所感应的电荷所屏蔽。实际上，在这种情况中，所俘获的电荷载体的库仑能降低，所以较高的占有率成为可能。考虑到这种情况，首先必须将静电能量相加，该能量是由于表面位置的占有率和表面缺陷的熵贡献而获得的： $F=\frac{d{\mathrm{\σ}}_0^2}{2{\mathrm{\ϵ\ϵ}}_0}\·[f\left(V\right)-\frac{\mathrm{\σ}}{{\mathrm{\σ}}_0}{]}^2+\frac{{\mathrm{\σ}}_0}{2}\·\underset{0}{\overset{v}{\∫}}f(V\′)\mathrm{dV}\′-\frac{\mathrm{\σ}}{e}\·E_0+\frac{\mathrm{kT}}{e}\·[\mathrm{\σ}\·1n\left(\frac{\mathrm{\σ}}{{\mathrm{\σ}}_m}\right)+({\mathrm{\σ}}_m-\mathrm{\σ})\·\ln (1-\frac{\mathrm{\σ}}{{\mathrm{\σ}}_m})]$

这里，E₀是表面位置的能量(假设E₀＝-0.5eV)，σ_m＝e/S，S是一个水分子的表面面积。于是自由能F比起V和σ来被最小化。这种方法还假设，冰块的化学电势保持恒定并且等于零。对每一个d值都这样做，我们得出平衡自由能作为距离或平衡粘附能的函数。这也在图6中画出(曲线4对应质子)。

类似的方法使我们能够发现冰的表面位置的均衡占有率或冰的表面电势作为表面位置的能量E₀或温度的函数。假设金属板距冰表面无限远。于是，为使方程式(8)中的第一正元素最小化，假设σ＝σ₀f(V)。于是F变成仅一个参数或者是V或者是σ的函数。在V的基础上进行最终最小化要稍微容易一些，但该结果还可作为σ的函数被重新计算。在图7中示出了带有D缺陷的表面位置的占有率系数与表面位置能量的关系曲线图。相对于冰块中的D缺陷的化学电势测量该表面位置能量水平。

正如从图5至图7所示的结果所能看到的那样，粘附能量的常用值在1.3J/m²和0.08J/m²之间，它取决于电荷载体的类型和其表面状态能量。此数值可与-20℃时实验测得的冰--金属界面粘附能相当或甚至较高。实际上，该粘附能与化学键结合方式的能量一样高；然而，与后者不同的是，静电方式保持明显较大的距离(约10.r₀₀；r₀₀＝0.276nm)。因而，在距离大于r₀₀的情况下，静电方式明显地要比化学键结合方式更重要。因此，在距离大于r₀₀的情况下，静电能超过由范德华力所产生的能量，假设Hamaker常数等于3.10^-20J。注意，最后的计算考虑冰--冰(或水--水)界面，而非冰--金属界面，如图6中的曲线1、2、3和4一样。如果冰与金属之间的距离也大的话，也可以考虑冰和金属之间的范德华力。

因此，即使表面电荷的密度为最大值，表示其长距离特征的z≈90.r00时，粘附能等于0.01J/m²。非平衡分离实验的粘附能应该比其结合能大。当冰和金属相互接触时后者可以用金属板产生的静电能的有效屏蔽来解释。因此，在平衡实验中粘附能随距离变化的特点也容易理解了。在小距离情况下，金属板屏蔽静电能，且由于表面状态占有率高，因此其粘附能也高。然而，当距离增加时，静电能也增加，导致了较低的占有率和较低的表面电荷密度。例如，比较图6中的曲线3、2和1。这些曲线表示随着距离自由能比常量占有率的情况下衰退地更快。

也可考虑作为表面状态能量Es函数的占有率(对于D缺陷情况下表面状态的模式)的特性。如图7所示，当Es≈0.1eV时，占有率接近于0。电荷载体被捕捉到具有正能量表面位置的原因之一是与在自由能中的熵增加有关。同样的原因，在冰块中存在缺陷。注意，对于冰块中的缺陷，每个缺陷的“形成能量”(creation energy)等于0.34eV，该能量明显地比0.1eV大。这最终导致块状态3.10^-7数量级的占有率。

随时间变化的现象也可以与冰的粘附相联系，在上述模式中是内在的。为了进入或离开表面状态，缺陷不得不克服一些静电阻碍，这导致了非平衡状况和随时间变化的现象。

此模式的一个重要因素是冰表面电荷和金属中感应电荷之间的静电吸引，一种机理也可应用到冰--绝缘材料界面，感应电荷数量的差别除外。冰表面的电荷q感应金属中的“镜象电荷”-q；相同的电荷q将根据下列关系式在绝缘材料中感应一较小的“镜象”电荷q’： $q\′=-q\·\frac{\mathrm{\ϵ}-1}{\mathrm{\ϵ}+1}---\left(11\right)$

这里ε是绝缘材料的介电常数。在大多数固体电介质中，ε远远大于1而感应电荷与金属中的感应电荷相当。较小的ε导致较小的静电粘附。例如，聚四氟乙烯的介电常数ε＝2.04；并且知道它对冰有低的粘附性。考虑为什么冰比水更粘是有用的。由于在水中有较高的电荷载体浓度，在水中表面电荷的屏蔽(如果存在的话)比在冰中更有效(相应的初始静电能远小于冰)。因此，由于基质而产生的电场屏蔽不能显著降低能量。注意，在接近冰熔点的温度下，在冰--固体界面上可能出现薄液层。见Dash等著，Rep.Prog.Phys.58，115(1995)，本文在此引作参考文献。因此，此模式可更新为包括表面预融化对冰粘附性的影响。

上述冰粘附静电模式表示了冰表面电子特性和冰粘附之间的关系。对于粘附能量该模式给出了一个正确的数量级。冰和金属之间的静电相互作用提供了明显高于化学键结合能量的能量，及大于分子间距离时的范德华力。该模式也提供了一种直观方法来理解随时间和温度变化的现象，帮助解释冰和水粘附特性方面的差别。

直流偏压对不锈钢粘附性的影响

现在我们考虑直流偏压对冰与固体金属粘附性的影响。为实验目的，我们使用图8中所示的系统50。钢管52之间的空间充满0.5％NaCl水溶液，然后将系统50放入温度为-10℃的冷室中。多个系统50也充满盐水。水中盐浓度接近普通海水的盐浓度。所有样品在测试前均在冷室中放置3小时，此时间足以使水结冰并使冰中的内应力释放。当样品以100μm/min的应变率加载时(通过加载单元56，施加力58)，测量冰--钢界面的最大剪切强度。在开始加载时，在不锈钢管52之间施加并保持范围为-21V至+21V的直流偏压。聚四氟乙烯盖60允许内管52a相对于冰移动。在实验期间直流电源63提供直流偏压。系统50由平台64支撑。一绝缘球66减弱了从系统50加载单元56来的热电影响。

在力学测试期间，电流、加载力和温度均记载在计算机硬盘上。数据采集板DAS-1800和实验观察软件(Lab View software)用于数据记录。

因为冰粘附性对盐的浓度很敏感，所以在测试结束后要测量融化后试样的浓度。在测试前和测试后，不锈钢管52的表面均用中等含研磨剂的洗涤机清洗，首先用蒸馏水，其次用甲醇，再用蒸馏水冲洗。清洗程序和盐浓度的控制对数据的可再现性是很重要的。

为测定施加直流电(从电源63)是否引起冰的温度变化，在一些测试中，将一热电偶(未示出)放在钢管52之间的冰62中。在这些测试的精度范围内(±0.05℃)，没有观察到温度上的变化。

图9表示当在0偏压测试冰--钢界面时，一般加载力与时间的结果的图表。可以看到，当界面被破坏时，加载力达到它的最大值，然后下降。试样对常量应变率的残余阻力是由于钢在盐冰上的粘性滑动所引起的。尽管如此，施加直流偏压能够明显改变界面的最大强度和冰--钢试样的残余阻力。

图10表示当+6.6V的电压施加到(可移动的)内管52a上时，在冰--钢界面进行的一般力学测试的结果。图11表示类似于图10的测试结果，此时是将-1.0V的电压施加到可移动的电极上。图9和图10结合在图12中，以表示直流偏压对界面强度的影响。这些测试的结果概括在下面的表1中，它表示，对于测试的电压，可以观察到τ_max的明显减小。对于电压为+6.6V时影响特别大。

表1：T＝-10℃且冰中掺杂有0.5％的NaCl时冰-钢界面上最大界面强度τ_max和残余剪切强度τ_res

直流偏压(伏)	τmax(kPa)	τres(kPa)
			0	64±6	21±2
6.6	37±7	13±3
			-1.0	45±5	12±2
-1.8	48±7	19±3

在最近的大部分测试中，如图12A和12B所示，当施加到电极的电压V＝-21V时，我们发现冰/钢界面的相对粘附强度可以减小差不多一个数量级。σ₀是电压V＝0时的界面粘附强度，σ是电压V≠0时的界面粘附强度。为了解释冰粘附的这种降低，除了静电相互作用外还有其他因素。也就是说，当直流电流流经冰时，由于冰的电解，气态氢(H₂)和氧(O₂)在冰/钢界面上以小气泡形式积聚。如图12C所示，当界面(冰69和金属71之间)加载时，这些气泡在形成界面裂纹方面起着作用，减小了最大界面强度。

附加测试及对冰与水银粘附性的说明

如前所述，图1和图2表示小直流电偏压(-6V至+6V)对冰粘附到水银上强烈而可逆的影响。这种影响在掺有KOH、HF和NaCl的冰上可以观察到，在从去离子水中生成的非常纯静的冰上却没有。交流电压直至40V对冰粘附性也不会引起任何显著的变化。

此部分还对在冰-水银界面上施加低直流偏压对界面能量和附着力生成方面的作用进行描述。此部分也对由于长期的静电作用而引起的冰-金属界面能量部分进行描述。

如上所述，用液-固界面取代固--固界面。当然，当一种材料是液体另一种材料是固体时，如在水--金属的情况下，决定附着力的界面能量可以在接触角试验中准确测定。如果金属处于液相的话，类似的技术可以应用到冰--金属界面。水银的熔点为-38.83℃，具有低的化学活性，且容易制备清洁表面，适于这样的试验。

纯度为99.9998％的电子级纯水银同多晶冰一样使用，这些多晶冰由1)很纯的去离子水；2)蒸馏水；3)未处理的自来水；或4)掺有实验级小浓度的NaCl、KOH、或HF的去离子水。大多数的实验是在T＝-10℃，相对湿度为89％-91％的大冷库中完成的。有些实验是在T＝-5℃、-15℃和-20℃下完成的。温度误差控制在±0.2℃。

为了测量冰-水银界面的表面张力，采用了两种技术。为演示目的，如图2所示意的第一种技术是一种传统的水银珠在平整光滑冰面上的接触角方法。在测量接触角之前，冰面是用检镜用薄片切片机加工平滑并在一光学平滑石英板上抛光。

第二种技术采用图3所示的压力计系统，它在冰-水银界面情况下是较精确和可再现的。纯的或有掺杂物的水放在石英管31中，并在T＝-10℃的冷库中冻结。石英管31的内径为10mm并有一个不锈钢圆柱形网状电极30和一个细不锈钢丝沿石英管的轴线延伸。在水冻结后，细心地拉出不锈钢丝，以产生一个具有非常光滑内壁的圆形毛细管33。毛细管的半径r为0.5mm或0.25mm。在测量表面张力之前，毛细管用水银箱19中的液体水银充满。为了在测量期间保证一个新形成的水银表面，水银18’均匀地返回到水银箱19中，然后压入到毛细管33中。在水银端面前进和后缩时我们测量毛细管和水银箱中水银水平面的高度h的偏差。两个主要因素限制了此技术的精度。首先，由于附着力的滞后作用，即使是新形成的水银表面，我们观察到了水银端面前进和后缩时测量的h的小偏差，Δh≈±0.5mm。其次，由于冰的粒状结构，其一般颗粒尺寸为1mm，毛细管内水银的图像不清晰；这就导致了大约0.2-0.3mm的附加误差。在图表和文本中的误差与我们试验的标准误差相对应。

为保持平衡，水银水平面偏差h(再次)由方程式(2)给出。在测量h时，也用方程式2计算W_i/a-W_i/Hg，并因此冰与液态金属之间附着力WA为：

W_A＝(W_i/a-W_i/Hg)＋W_Hg/a    (12)

这里W_Hg/a是水银/空气界面能量。在-10℃时W_Hg/a＝493mJ.m^-2。见Jasper，J.Phys.chem.Ref.Data，1，841(1972)。水银在冰面上的接触角θ可以从这些实验数据中计算出来，与直流偏压的作用一样：

θ＝acos((W_/ia-W_i/Hg)/W_Hg/a)    (13)

实验结果

在有搀杂物的冰上，小的直流偏压对冰-水银界面能量就有强烈的影响。能量变化Δ(W_i/a-W_i/Hg)的大小和符号取决于偏压的极性和大小、掺杂物的类型和浓度。在图1中示意地表示了不同偏压对水银珠在掺杂有NaCl的冰上的形状的的影响。表2表示对于掺杂有不同杂质的冰20’及在水银和网状电极之间施加不同直流偏压时，用方程式(13)计算出来的θ值。

表2：水银在含有不同掺杂物的水形成的冰上且在水银与网状电极之间施加不同直流偏压下的接触角θ，正电压表示在水银上为正电势。接触角θ冰中杂质      0V        -1.75V  -5V0.5％NaCl    101±3.5°    116±4°    77±4°0.2％KOH     113±9°0.18％HF     105±6°

图13表示温度T＝-10℃时用图3中压力计测量的与偏压V相对应的粘附功ΔW_A＝Δ(W_i/a-W_i/Hg)的变化，冰是用掺有0.5％的NaCl的水制成。如图所示，偏压可以减小或增强冰对水银的粘附。在偏压不超过6V时，NaCl浓度在0.05％以上时效果变得非常显著。因为最小值W_A(V)的相关性，此最小值在施加≤2V的正电势后在-1.75V可被看到，水银柱先向下然后才向上移动。

在含有较低浓度的NaCl(＜0.05％)或自来水形成的冰的情况下，其影响比较小，而在掺杂有0.5％NaCl的冰的情况下，在施加偏压后，水银开始立即移动。在由去离子水生成的最纯的冰的情况下，直至40V的直流偏压对冰-水银之间的附着力也不会产生任何显著的变化。当使用杂质冰时，效果是完全可逆转的；也就是，在切断偏压后，W_i/Hg就可恢复。然而，在一些情况下，如上所述，可以观察到水银移动的迟滞现象。在r＝0.25mm时，所观察到h的最大变化值是12mm。图14和图15分别表示直流偏压对掺杂有HF和KOH的冰的ΔW_A的影响。

直流偏压对含有杂质的冰对水银附着力的影响在-5℃、-15℃和-20℃也被观察，但是大多数测量是在-10℃下完成的。其原因是，-5℃时杂质冰含有许多细小的液态内含物，-20℃时冰经常在仪器内碎裂。

电流-电压特性的测量表明，是电压而不是电流引起冰附着力的变化(见图13-图15)。例如，对于导电率相差20倍的冰样本，ΔW_A通过同一大小的最小值并且位于相同电压处。电加热在影响方面不起任何作用，由于对于在冰电解阀值(±2V)以下的电压，测量的电流是几μA和数十μA，并且估计温度变化的速度小于10^-6℃/s。因此，电加热的影响可以忽略。

由于在固态冰中所有杂质的低溶解性，溶解在水中的掺杂物被生长的冰界面推出，最后浓缩在晶界上和冰面上，从而提高了它们的导电性。结果，所测到的DC电流是体积(bulk)、表面和晶界电流的总和。

如图16所示，当偏压“开”和“关”时，在电化学中电流的峰值通常根据电解质/金属界面的双电层的增强和衰退来解释。用于电压V绝对值大于2V的大电流(≥1mA)不稳定，但随着时间的推移有规律地衰退。为标绘与电压相对的电流，在偏压位于“开”20秒后测量电流。为避免电极极化的积聚，每次转换偏压的极性。因此，测量按+0.2V、-0.2V、+0.4V、-0.4V等的顺序进行。

在40V大小和10Hz-10kHz频率范围内施加交流电对W_A没有产生任何显著的变化。如上所述，在纯去离子水中，施加40V的直流电对W_i/Hg不会产生显著的变化。用1KV至3KV来改变非常纯的冰与金属之间的附着力。纯冰和杂质冰对直流偏压的不同反应是由它们的导电性的不同引起的。因此，本发明的一些实施例利用电“反馈”来实时测量冰的导电性，并根据测量结果选择直流偏压，以使给定的冰-金属界面的附着力最小。那些本领域技术人员应该理解的是，如果需要的话，可以实时和根据相同的反馈增加附着力；或同时进行。

当冰掺杂有NaCl或HF时和直流偏压超过水银上正电势电解质阀值时，就会在水银表面上产生微黄色氧化膜现象。在偏压极性逆转后几秒钟内薄膜消失。然而，随着在水银上施加负电势，不锈钢网状电极没有明显的颜色变化。水银表面的电腐蚀由与V相关的AW_A不对称性所引起，如图13和图14所示。在掺杂有0.2％KOH的水生成的冰的情况下，与电腐蚀相关的冰/水银界面也没有显著的颜色变化。

数据上存在异常的其他可能性。例如，一个不锈钢-杂质冰-水银夹层相当于一个弱电池，在水银上产生一个带有负电位的小电动势(EMF)。此EMF对于掺杂有0.5％NaCl的冰来说为-0.18V，对掺杂有0.2％KOH的冰来说为-0.3V。其它物理性机理也可以对上述影响起作用：1)在冰-金属界面的双电层中的电荷的静电作用；2)金属表面的电氧化和电还原(氧化还原作用)；和3)在冰电解过程中所释放的气体引起的冰-金属界面的剥离。下面将对此简要论述。

静电反应

由于氧化还原反应，在金属电极和电解质(离子导体)之间经常存在电势差Vc。因此，在25℃时水银标准电势V₀为+0.7958V。水银电极和具体的电解质之间的实际电势取决于电解液的PH值，其变化从很酸性溶液的大约+0.9V至很碱性溶液的+0.2V。见Oldham，电化学的基本理论(Fundamentals of Electrochemical Science)，Academic Press，NewYork，第309-355页(1994)。在界面上与此接触电势Vc有关的双电层由在水银上的一个原子能稀少的密集正电荷+λ和一个在电解质表层下的离子空间电荷-λ组成。界面电场的能量由下式给出： ${W\′}_{i/\mathrm{Hg}}\≈\frac{\mathrm{\λ}{V}_c}{2}\≈\frac{C\left(V\right)\·V_c^2}{2}---\left(14\right)$

这里C(V)是一个由Vc决定的“明显”(apparent)界面电容。那么附着功的静电部分由下式给出： ${W\′}_A=\frac{C\left(V\right)\·V_c^2}{2}---\left(15\right)$ 当外部偏压施加到界面上时，W’A由下式给出： ${W\′}_A=\frac{C\left(V\right){\·(V_c+V)}^2}{2}---\left(16\right)$

预计在V＝-V_C时W’_A为最小值。此关系曲线类型见图15、图13的左侧(V＜0)、以及图14中-3V＜V＜0的部分。W’_A的绝对值可以与方程式(16)的预测值及实验观察数据相比较。为计算C，在图16中电流增加和衰减时使用时间常量τ≈10s： $C\≈\frac{2\mathrm{\τ}}{R\·S}---\left(17\right)$

这里R是钢/冰/水银夹层的电阻；R≈1V/50μA＝2×10⁵Ω；S是冰-水银界面的面积。由于不锈钢/冰界面的存在导致了这两个参数的出现，假定不锈钢/冰界面与冰-水银界面一样。这就提供了一个数量级的粗略计算。

方程式(17)计算的C值约为0.4F/m²，在金属浸入浓电解液中时这对电极电容是非常典型的。用C≈0.4F/m²和水银标准电势Vc≈0.8V代入方程式(16)得到下述W’_A最小值：

ΔW_A＝W′_A(0)-W′_A(V_c)≈160mJ/m²    (18)

此结果可与上述结果(ΔW_A＝100-150mJ/m²)比较。方程式(16)的实验结果的偏差可能是由这里所论述的其它影响引起的。

对于HF掺杂物和NaCl掺杂物的冰来说，W_A最小值的位置在-1.75V，在酸性电解液中大约是水银预期V_c的两倍。但是，在冰-不锈钢界面、冰-体积(bulk)和冰-水银界面之间所施加的偏压V是共享的。如果低于冰电解电压V的阀值，V几乎在两个界面之间相等地分享，那么所观察到的最小值在-2Vc≈-1.8V位置的右边。注意，在结冰时，NaCl以Cl^-和H⁺进入冰中，将Na⁺和OH⁺留在冰的外边，并使得掺杂NaCl与掺杂HCl类似。因为水银的Vc在碱性电解液中较小，掺杂有KOH的冰的W_A的最小值肯定是一个较低的负电压(见图15)。

氧化和还原

如上所述，当给与酸性冰(掺杂有HF和NaCl)接触的水银施加正电压时，随着水银的氧化可以观察到一微黄色的薄膜。对于掺杂KOH的冰来说，最可能的是，此薄膜破坏了曲线W_A(V)良好对称性，这可由方程式(16)推算出来，并见图15。

电解时气体的释放

对于｜V｜≥2V的气体释放可能引起冰-金属界面的剥离并因此减小附着功W_A。在大气压下，即使1mA的电流产生大约0.15mm³/s的(H₂＋O₂)，这种减少在图13-图15中也看不到(虽然在图14中在V＜-2V时可能有一点)。也许气体容易沿冰-水银界面向上逸出。然而，在冰-固态金属界面情况下，由冰电解所产生的气体可能破坏界面，因此减小了冰的附着力。

其它反应

假定在W_A(V)最小值时在金属上和冰上的空间电荷之间的静电作用为O，对于碱性冰/水银界面W_A(0)-W_min值等于190±25mJ/m²，对于掺杂有NaCl的冰/水银界面W_A(0)-W_min值等于290±10mJ/m²。那么，残余物可能归因于Lifshitz-Van der Waals和polar Lewis的酸碱相互作用。

这样就证明了较小的直流偏压(-6V＜V＜+6V)对冰与水银附着力的影响。根据偏压极性和大小，附着功可以减小37-42％或增加70％。在小的偏压范围内，非常纯的冰或在交流电压下观察不到影响。随着由电解产生的气体释放和金属氧化的某些作用，在界面双电层中电荷的静电作用是此现象最可能的主要机理。

图17(和剖面图图17A)表示一个根据本发明构造的系统100。操作系统100用于减小在材料104的表面104a上形成的冰102的附着力。系统100构成一个回路，该回路包括材料104、导电栅格106(包括图示在栅格上的点“A”-“F”)和一个电源109。栅格106悬在表面104a的上面，这样它就与材料104保持电绝缘。

在本发明的一优选实施例中，在表面104a上的栅格106的悬浮是通过在栅格106与表面104之间放置一绝缘栅格108而得到的。图17A较详细地表示了栅格108。剖面图17A没有按比例画，只示出绝缘栅格108与导电栅格106之间的关系。实际上，栅格106、108的厚度(图17A的尺寸)可以远小于1英寸(甚至小到0.010至0.020英寸)；并且可以被认为是“涂层”。例如，栅格108可以由一电绝缘漆的薄涂层制成；而栅格106可以由一导电漆的薄涂层制成。栅格106被连接以便起单一电极作用。因此在回路中，材料104成为系统100的第一电极；栅格106成为第二电极。

在表面104a上方的栅格106、108也可以是易弯曲的和可成形的，虽然示出的是一平表面104a，但它也可以是任意形状。例如，材料104可以是一飞机机翼或一轿车风挡玻璃；栅格106、108与结构材料104相似。

当冰102形成在表面104a上时，因为冰102可作为一半导体(如上所述)，就形成了系统100的回路。当回路形成时，电源109就给冰102和材料104之间的界面提供一直流偏压。偏压一般小于几个伏特；因此电池可用作电源109。

偏压的大小取决于所需的应用。在轿车风挡玻璃或飞机机翼的情况下，偏压选择成，产生最小(或接近最小)的冰附着力，从而有助于从材料104上将冰102除去。

然而，在靴子后跟的情况下，例如(也就是，表面104a是鞋跟的底部)，冰102表示在鞋跟下面的冰；偏压选择成，增加在冰与鞋跟之间的冰垂直附着力，从而增加鞋子与冰之间的摩擦力，并尽可能地防止在冰上的滑倒。

在回路中一调压子系统112也最好与系统100连接。下面进行更详细的描述，调压子系统112根据回路和电源109的反馈运行，以便以一种最佳方式减少或增加直流偏压。例如，子系统可以包括电路和一微处理器112a，用于测量来自回路的数据并判断冰102的导电性能(和/或温度)。又利用通过子系统112的这种测量产生有效地改变施加到回路上的直流偏压大小的信号。特别地，在一实施例中，电源109对信号作出反应并在冰-材料界面上产生合适的电压。例如通过一查找表并根据实验数据，直流偏压值可储存在子系统112的存储器112b中。例如，与导电率“Y”(系统100安装材料104的特定应用是可推知的)的材料104接触的导电率“X”(最好由子系统实时测量)的冰将使用通过储存器112B中的查找表来决定施加到冰-材料界面上的电压。

栅格电极106最好间隔开，以保证(尽最大可能)在表面104a上形成的冰102至少与栅格106的一部分相接触。参照图17，例如，冰102与栅格106的几个区域相接触，包括“C”-“E”点。因此，系统100的回路以冰102与材料电极106的至少一部分“短路”而形成。

栅格106导电区域--例如，图17中的区域114--之间的实际空间尺寸应该适于特殊的应用。例如，如果表面104a是一飞机机翼的表面，那么空间可以较大，举例来说，大于1平方英尺。然而，对于轿车风挡玻璃来说，如果需要，区域114应该较小，这样沉积在风挡玻璃上的较小的冰(例如在风挡玻璃的拐角)就可能与栅格106短路。

图18表示一根据本发明构造的系统130。子系统130的一个电极是机翼132。机翼132与地面134连接。一直流电源136与一直流电流表138相连。直流电流表138与一感应器140相连。感应器140通过导线141与一导电漆142(或其它与机翼形状相似的导电物体)相连，漆142是涂敷到固定在机翼132上的绝缘层144上的。

绝缘层144和漆142最好布置成栅格形式，如图17中所描述的以及进一步在图19中所示出的。在图19中，机翼132’上的导电层142’和绝缘层144’(这里所示的是一绝缘漆层)构成一栅格结构145。因此，电源136’与导电漆142’相连并通过机翼电极132’与地相连。如果冰在机翼132’上形成，由冰短路而形成回路，并在冰-机翼界面上施加一直流偏压，来减小冰的附着力，并以利于除冰。

由绝缘漆144’所覆盖的总面积最好不超过机翼132’前边缘132a’的1％。栅格结构145可以确定大小并布置在前边缘132a’的上方，如图所示，或在整个机翼132’的上方，或设计选择的其他区域的上方。因此，对特殊机翼或飞机的典型冰沉积有一定历史或其他数据的机翼或飞机制造商可以在仅在特殊区域的上面采用栅格结构145，如果需要的话。

分别施加在图18和图19中机翼132和132’之间的电压一般调整在1-6伏特之间，相应的电流低于栅格区域每平方米1A。

那些本技术领域的技术人员应该理解的是，存在多品种的商用绝缘漆144’和导电漆142；并且在冰模拟试验后，应选择一特定品牌。而且，栅格145最佳间距(也就是图17中区域114的尺寸)对特定的设计也应该实验确定或通过分析确定。

继续参照图18，直流电流表138又可与一反馈子系统150相连。反馈子系统150又与直流电源136连接，以便根据冰的导电率和温度等特性来“控制”施加到机翼-冰界面上的直流偏压。因此，一个温度传感器152也最好与回路130相连，以测量冰154的温度。

系统130的其他部件可以包括一个与一交流电流表158相连的交流电源156(在大约10kHz和100kHz之间运行)，该电流表又与导电漆42相连。一个结冰报警子系统162也可包括在系统130中。电流比较器160可以，例如，与结冰报警子系统144及反馈子系统150相连，以启动如下所述的某些情况。

直流电流表可用于测量回路130直流导电率。直流导电率信号测量值提供给反馈子系统150及电流比较器160，该反馈子系统又调整由直流电源136提供的电流。

交流电流表可用于测量回路130的交流导电率，例如在10-100kHz频率内。交流导电率信号测量值提供给电流比较器160(和用于A/D转换和数据处理的反馈子系统150)。在“短路”和形成回路这两方面，系统130利用比较交流和直流导电率来区分水和冰。特别地，在冰与水比较的情况下，交流和直流导电率的比率是大于2-3个数量级，这提供一个容易区分水上冰的测量信号。

如果冰在机翼132上形成，因此，电流比较器发送信号给反馈子系统150，该子系统又命令直流电源136来增加或减小冰-机翼界面的直流偏压。选定一个直流偏压(一般在1V-6V之间)以减小冰154在机翼132上的附着力。

一旦机翼132的冰除去，由电流比较器160的信号差低于一预定值；电流比较器160使结冰报警器162不工作。同时，电流比较器160给反馈子系统发信号，该子系统又命令直流电源136来将偏压减小至初始水平。

总之，利用电流表138和158来测定材料的导电率，该材料使栅格电极142和机翼132之间短路。如图所示，该材料是冰154。因此系统130以自动方式区分冰和水。感应器140防止交流电压进入回路的“直流”部分，此直流部分应精确控制以改变冰的附着力。反馈子系统150可以和最好包括一个微处理器和储存器来命令和控制电源136在一个基于反馈数据如冰的温度和冰的导电率(和/或冰的纯度)的接近最佳的直流偏压。在从子系统162接收结冰报警信号后，反馈电路最好在一个提供电流密度约0.1mA/cm²(或在冰-机翼界面上约1mA/in²电流密度)的水平上增加或减小直流偏压。因此，对于一个约10-30A的电流，对于一个标准大型飞机来说，消耗的总能量需约100-500瓦。

这样图18中回路的“直流”部分首先用于给冰-机翼界面提供直流偏压，其次(如需要)测量冰154的直流导电率。这样图18中回路的“交流”部分首先用于测量交流导电率。因而图18中回路的剩余部分具有：(a)一防止直流和交流部分信号连接的感应器；(b)根据冰的检测(与水比较)和/或测量反馈参数如冰的温度和导电率来控制直流偏压的反馈、测量和控制电路。

图20表示用于飞机机翼202的另一系统200。直流电源201给为第一电极(机翼202或者导电或者涂敷有金属薄片或导电漆)的机翼202提供一直流偏压，以及给与机翼202绝缘的导电栅格202提供直流偏压。栅格204通过一放置在机翼202和栅格204之间的绝缘薄膜206与机翼202绝缘。栅格204在图20的回路中作为第二电极。当冰210在机翼202上形成时，冰接通电路并在机翼202和冰210之间的界面施加直流偏压。

图21表示用于增加汽车轮胎252和道路256上的冰254之间摩擦力的系统250。如图所示，轮胎252包括许多条纹252a，这些条纹经过导电掺杂(如掺碘)以利于输送电流。直流电源258通过电缆260与条纹252a连接，并相对于地面262产生一个直流偏压。由电源258所产生的直流电压差约在5V和1000V之间(通常在10V-100V范围内)。直流电源也可包括调压电路和反馈子系统(如上所述)以测定冰254(或雪)的导电率，从而调节直流偏压。如本领域技术人员所已知的，一个非接触温度传感器(未示出)也可用于远程测定冰的温度，所以温度也可作为一个反馈参数使用。

通过一电控导杆266将电压施加到条纹252a。如需要，对于给定的电压范围，交替条纹252a可通过电源258产生的正或负电势来驱动，以获得最大附着力。当系统250不使用时，杆266可以向上移动到旁边(如通过一个机电控制器)。通过将电源258与轮轴270相连，杆266和电源保持一个不变的距离。

那些本领域的技术人员应该理解的是，条纹252a可以焊到现有的轮胎(或轮胎材料)上，可以使用较小或较多的条纹252a。当然，在不需要条纹时，轮胎252可以完全掺杂以使之导电。

那些本领域技术人员应该理解的是，如图18中的电路在图21中轮胎系统中也可以使用。然而，在此实施例中的直流和交流电压施加到相邻的条纹252a上(分别用+和-号表示)以减弱这两个信号。在接收到结冰报警信号之前，施加在条纹252a之间的直流电压较小(约10V)；但是，在收到信号之后就转换到100V-1000V的高电压。

图22表示一个增加汽车轮胎302和一结冰路304之间摩擦力的系统300。轮胎302经过掺杂或加工以使电流能流过轮胎302的橡胶。一交流电源306装在轿车308内并通过合适的导线309与轮胎302相连(导线与车轮的转动没有干扰，如通过轮轴相连)。交流电源306给轮胎302施加一高频(10-1000kHz)、高压信号；此信号给轮胎302和路304之间一个直流电压。此电压最好与增加冰310和轮胎302之间摩擦力的电压是一个数量级的。

图23表示一个系统400，该系统包括一个与直流电源404连接成回路的车窗402。车窗材料经过掺杂(如用ITO或掺SiO₂的氟化物)使之成为系统400的一个导电电极。另一电极是由放在车窗402上的透明导电带构成的栅格406，它由栅格406和车窗402之间的绝缘栅格(未示出)所绝缘。最好，用如上所述的调压子系统408监测冰导电率和温度等参数，以便测定何时冰连接栅格406和车窗402之间的间隙(如与水比较)，并测定和调整施加在冰和车窗之间界面上的直流电压为一接近最小冰附着力的值，举例来说，见图4。栅格406之下的绝缘栅格与图19中的层144’类似。

注意，栅格406是这样连接在一起的，即，最好栅格406上的每个点的电势相同。

图23A示出了一个车窗栅格和电极结构的变形，它包括一个直流电源450，该电源与第一电极452(与第一栅格相连)和第二电极454相连，第二电极与同第一栅格交错的第二栅格相连。图23A中的系统是图23中实施例的一个变形；该系统可包括一个如这里所述的附加电路和控制装置。

图23和图23A中的防结冰栅格最好用导电透明涂层制成，这在液晶显示(LCD)和太阳能电池技术方面是很普通的。1-2V的直流电压一般施加到车窗上透明导电电极的梳子状栅格上。所需偏压可取决于电极材料和制造商。电极可以涂或汽化沉积在风挡玻璃上。

如这里所述，应该理解的是，例如，汽车风挡玻璃可以用ITO或掺杂SiO₂的氟化物掺杂，使之成为一种合格的半导体(包括透明度)。可选的透明涂层包括掺杂聚苯胺。也可能使用锂离子导电玻璃。对于汽车轮胎，在橡胶中也可使用共聚碳(copolymer-carbon)的沉积物，以使之导电。也可用碘。在本发明中也可使用澳大利亚联邦科学与工业研究组织(CSIRO)所开发的橡胶薄膜。

图24表示根据本发明构造的电线结冰控制系统500。该系统包括一个电源控制组件502(包括功能如提供直流电源，最好有调压和直流和交流结冰检测和测量)，该直流电源组件通过电线504与涂漆的电线506连接。电线506在图24A剖面图(未按比例)中示出。因而电线506包括一个主电线508和一个绝缘层510，这对本领域技术人员是公知的。一个涂漆外层512围绕绝缘层510以便用组件502在回路中提供结冰控制直流偏压。导电栅格514沿电线506的轴向延伸(以任意圆周缠绕)，并通过栅格514和层512之间的一绝缘栅格516(也是轴向布置)与层512绝缘。当冰520在电线506上形成时，冰520使回路短路，一直流偏压施加到层512和冰之间的界面上。通过将偏压调整到一个适当的大小，以使电线506上的冰520容易除去。

图25表示一个根据本发明的系统600，该系统用于改变雪橇602上冰的附着力，以便有选择地增加或减小雪橇与雪/冰之间的摩擦力。图25示出了系统600中雪橇602的底部602a。在底部602a有一个栅格604(包括一个由一绝缘栅格与底部602a隔开的导电栅格)作为系统600回路的一部分。电池606与栅格604和底部602a连接，并给回路提供直流偏压。控制器608检测冰导电率(和选择地检测温度)并调节由电池606产生的直流偏压。雪橇底部602a由半导体材料制成或涂有或漆有导电带。与雪或冰接触时，控制器控制施加的电压，从而控制雪橇602与雪和冰之间的摩擦力。

那些本技术领域的技术人员应该知道，图25中用点划线示出了控制器(和/或电池)。它们的实际位置是一个设计选择问题，可能位于雪橇顶面或在靴子部分或结合部。另外，控制器可以对用户输入作出响应以实时改变摩擦力。例如，攀登斜坡(如越野时)的滑雪者可选择“增加摩擦力”，系统将对此响应并增加摩擦力。使用者也可选择“减小摩擦力”，控制器输出一个减小冰/雪对底部602a的冰附着力的偏压。

图26表示本发明另一实施例，用于改变冰/雪与鞋699的鞋底相接触时的附着力。特别地，图26表示一个带有电池702的系统700。仅为了说明目的，用两个电池702来说明两个可任选的电极设计。在第一种设计中，在鞋后跟699a(以这里所述和那些本领域技术人员所公知的技术制成能导电)，电池702a与这里所述导电栅格704连接(并与导电鞋后跟699a隔开)。在与雪或冰接触时，雪或冰将回路连通，直流偏压施加到冰-鞋后跟界面以增加摩擦力。

图26中的另一设计是，对于一个如鞋699的小表面并不需要栅格电极。相反地，一个简单电极706可能就足够了(注意，上述电极706与鞋

图27表示本发明一优选实施例，它适于从电线700上减少或去除冰。图27的插图表示根据本发明的电线700的剖面图。如本领域技术人员所公知的一样，正常电线702传输60Hz但具有如10000伏/英寸的非常高的电场的电。根据本发明，在电线702上涂敷厚度t的涂层704。

在一实施例中，如本领域技术人员所公知的一样，涂层704是一种铁电材料。铁电材料实际上是一种陶瓷，它在一些条件下具有很高介电常数(如10000)和很高介质损耗(如tanδ≌10)，而在其它条件下具有较低的介电常数(3-5)和小的介质损耗。可以改变其常数的一种条件是温度。在一优选方法里，材料是这样选定的，在冰点以上介电常数低，而在冰点温度以下，介电常数高。当环境温度下降到冰点温度以下时，由于高的介电常数和介质损耗，交流电场剧烈地加热涂层。

本领域技术人员应该知道，上述实施例在保持涂层温度接近(或稍高于)融点温度方面是可自动调节的。如果涂层由电线的电场加热过度，它将自动进行从铁电状态到正常状态的相变，此时涂层停止吸收电场能量。因此，通过选择相变温度，涂层温度可以根据用户的需要和当地环境状况来调节。

如在由电线702产生的交流电场存在的情况下，涂层704产生热量。特别地，热量的产生对交流周期存在滞后现象；并且由于电线702的振荡电场使涂层产生热量。

虽然可以根据涂层材料和所需加热量采用其他厚度，但厚度“t”—般为1/100英寸数量级。通过改变厚度，例如，表面704a的温度可以增加1-10度或更多。厚度“t”是这样选择的，即能够产生所需量的热量(也就是，热量一般足以熔化电线700的表面704a上的冰和雪)。

当涂层表现为低介电常数和介质损耗时(也就是，当涂层在“冰点”以上或其他所需温度时)，涂层704产生更少的热量，因此电线702消耗更少的能量。

涂层704也可用具有相同或类似作用的铁磁材料制成。在这种情况下，涂层吸收电线产生的磁场能量。

更具体地，当铁电材料置于一振荡电场(交流)中时，由于介质损耗该材料被电场加热。每立方米加热能力是： $W=\frac{\mathrm{\ω\ϵ}{\mathrm{\ϵ}}_0}{4\mathrm{\π}}\tan \mathrm{\σ}\left(\stackrel{\‾}{E^2}\right)---\left(19\right)$

这里ε’是一个相对介电常数(对于一般铁电材料ε’通常约为10⁴)，ε₀是自由空间的介电常数(ε₀＝8.85E-12F/m)，ω是交流电场的角频率(ω＝2πf，这里f是电线的通常频率，也就是，在一般电线中为60Hz)，tanδ是介电损耗的正切值， 是电场平方的平均值。

在低于所谓居里温度Tc时，铁电材料具有很大的ε’值和tanδ值，而在Tc温度以上时，具有很小的ε’值和tanδ值。因而，在低于或接近Tc时，介电损耗(或交流电场的加热能力)很高；而在此温度以上时，介电损耗以大倍数(例如10⁶)降低。这使得Tc接近或稍高于熔化温度的铁电材料是如上所述涂层704的最佳选择。当外界温度低于熔化温度Tm时，此涂层吸收电能，并被电场加热到高于Tm的温度，所以涂层又转变成为正常的绝缘体(也就是，不再大量吸收电场能量)。

因此，当此涂层置于一交流电场中时，铁电材料保持恒定温度，该温度接近Tc和稍高于Tm。该防止结冰的自动调节方式是非常经济的：可以通过改变涂层厚度和/或通过在涂层上添加一中性(非铁电)绝缘漆或塑料来增加或减小电线每米或任何将被保护表面的每平方米的最大加热能力。根据本发明适用的铁电材料的示例包括：

表3：铁电材料

名称	分子式	Tc(开氏温度)
			罗谢尔盐	NaKC4H4O64H2O	255--297
氘化罗谢尔盐	NaKC4H2D2O64H2O	251--308
			TG硒	(NH2CH2COOH)3H22Se)4	295
钾钽铌	KTa2/3Nb1/3O3	271
			硝酸铵(Anti momium nitrate)	NH4NO3	255，305
	Pb3MgNb2Og	～273K(摄氏0度)

作为举例，考虑了Pb₃MgNb₂O_g加热能力计算。在本例中，一中等范围的电线认为

且电线直径为1厘米＝2倍半径。电线表面的电场强度是： $E\≈\frac{V}{\ln \left(\frac{L}{r}\right)*r}\≈3*10^{5}V/m---\left(20\right)$

或3KV/m，这里，L是电线之间的长度(L＝1m)。代入上式，也就是，

V/m，ω＝2π×60Hz，ε’＝104及tanδ＝10，计算得出W(1mm，60Hz)＝4.5E5 watts/m³。这样，例如1mm厚的薄膜产生450 watt/m²，这对冰的一般熔化来说是足够的了。

当应用到电线上时，在涂层中可以被消散的最大功率由电线间的电容C₂所限制： $W_{\max }=\frac{\mathrm{\ω}{C}_2}{2}\·\stackrel{\‾}{V^2}---\left(21\right)$

对于2cm厚涂层的电线，电线间距离为1m，C₂≌1.21E-11F/m。对于电压V＝350kV的电线来说，W_max≌300Watt/m，这个能量足够保持1m长的电缆不结冰。

除铁电材料外，几乎任何半导体材料均有类似的作用。为达到方程式(21)的最大性能，涂层介电传导率σ应满足下列条件：

σ≈εε₀ω    (22)

这里ε是涂层介电常数，ε₀是自由空间的介电常数。对于60Hz的线路，ε≈10时，σ≈3.4E-8(ohm.m)^-1。对许多不掺杂的半导体材料和低质量绝缘材料来说，此导电率是非常典型的。因此，这种涂层不昂贵(某些漆适用于这些涂层)。此外，由于半导体材料导电率的强的温度相关性(例如，指数相关)，可以达到上面所述的相同温度“调谐”。因而，满足根据方程式(22)的最佳条件仅在一窄的温度范围内，例如，-10℃≤T≤10℃，在此温度范围内涂层将熔化冰，否则会消耗一些电能。

那些本领域技术人员应该知道的是，如这里上面所述的其他表面也可用这些涂层处理。例如，通过使涂层受交流电作用和特别地通过按上面方程式(19)增加交流电，把这样的涂层涂到机翼上也可提供熔化能力。例如，对于Pb₃MgNb₂Og来说，100kHz频率将加热1mm厚的涂层至W(1mm，100kHz，3E5V/m)＝750kWatt/m²。

图28表示根据本发明的一个利用这种涂层来对非活性表面(例如，那些没有内部交流电场的表面)除冰的实施例。在图28中，铁电涂层800涂覆到构件802(例如，一飞机机翼)上。薄片电极804a、804b对构件802提供交流电。交流电来自一标准交流电源806。在构件802回路中的一结冰检测系统808(例如，图18中的检测系统)最好通知电源806有关构件802上的冰的情况，然后施加交流电。选择交流频率和涂层厚度来产生所需量的热量(例如，以防止在飞机机翼上结冰)。

因此，从上述描述中很明显看到本发明实现了上述目的。由于在不脱离本发明范围的情况下，可对上述装置和方法进行某些改变，因此，包含在上述描述中或附图中所表现的所有内容被解释成说明性的，而并非限制性。

例如，那些本领域技术人员应该知道，如图17中所述的栅格电极也可应用到包括屋顶、石油管道、公路等的表面和易于集冰的其他区域。

Claims (27)

1、一种用于改变粘附到物体上的冰的粘附强度的系统，该系统包括：一个与物体电绝缘的电极，一个与物体和电极连接以便对冰与物体之间界面产生一直流偏压的直流电源，与界面上基本为零偏压时的冰粘附强度相比，该直流偏压具有的一电压值可选择性地改变冰的粘附强度。

2、根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述直流电源是一个电池。

3、根据权利要求1所述的系统，其特征在于，它还包括设置在物体与电极之间的一个电绝缘材料，该材料具有与电极基本相同的形状。

4、根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述电极包括一个形状与物体表面相似的栅格电极，栅格电极的每个点与电源电接触。

5、根据权利要求4所述的系统，其特征在于，它还包括一个设置在物体和栅格电极之间的栅格绝缘体。

6、根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述物体是一个飞机机翼。

7、根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述物体是一个汽车风挡玻璃。

8、根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述物体是一个雪橇的底部。

9、根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述物体是一个鞋跟或鞋底或靴子或鞋。

10、根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述物体是电线的外部材料。

11、根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述物体是一个车辆轮胎。

12、根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述物体被掺杂以便导电。

13、根据权利要求1所述的系统，其特征在于，它还包括设置在一选定形式的表面上的电绝缘漆，并且其中电极是设置在绝缘漆上的导电漆。

14、根据权利要求1所述的系统，其特征在于，它还包括一个用于测量冰的直流导电率并且连接在带有电极和电源的回路中的直流电流表。

15、根据权利要求14所述的系统，其特征在于，它还包括连接在带有电极和电源的回路中的一个交流电源及一个交流电流表，该交流电流表用于测量冰的交流导电率。

16、根据权利要求15所述的系统，其特征在于，所述交流电源产生大约10kHz至100kHz之间的一种或多种频率的电流。

17、根据权利要求15所述的系统，其特征在于，它还包括一个电流比较器，该电流比较器与直流和交流电流表相连，用于产生一个表示直流和交流导电率之间比率的信号。

18、根据权利要求17所述的系统，其特征在于，它还包括一反馈子系统，该反馈子系统对信号进行评定并判断冰或水是否使电极和物体之间的回路短路。

19、根据权利要求18所述的系统，其特征在于，它还包括一温度传感器，该温度传感器作成并布置成用于测量冰的温度并将表示冰温度的一个信号传送给反馈子系统。

20、根据权利要求18所述的系统，其特征在于，它还包括一结冰报警器，该结冰报警器一旦检测到与交流和直流冰导电率比率的一预定值对应的冰时，启动该系统。

21、根据权利要求18所述的系统，其特征在于，反馈子系统将直流偏压维持在大约1V和6V之间的一个值。

22、根据权利要求15所述的系统，其特征在于，它还包括一个用于减小交流和直流信号之间交叉耦合的感应器。

23、根据权利要求1所述的系统，其特征在于，它还包括一个用于测定冰的直流导电率和温度的反馈子系统，该子系统被连接用于直流电源的控制，以便根据所测定的导电率和温度调节直流偏压，从而将粘附强度减到最小。

24、根据权利要求1所述的系统，其特征在于，反馈子系统控制直流偏压以便在界面上提供达每平方英寸1安培的电流。

25、根据权利要求1所述的系统，其特征在于，直流电源提供一大约在1V-6V之间的电压差。

26、根据权利要求1所述的系统，其特征在于，物体是一汽车轮胎，直流电源包括一提供高频电压以在轮胎和与轮胎接触的道路之间施加一直流偏压的交流电源，该直流偏压选择成用于增加冰的粘附强度。

27、根据权利要求1所述的系统，其特征在于，它还包括一用户界面，该用户界面用于有选择地改变直流偏压以增加和减小冰的粘附强度。

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