碳纳米管复合材料用于破解飞机除冰难题

如果你曾经因为跑道被冰雪覆盖而被推迟了航班，你就会知道寒冷的天气可能会成为航空旅行的敌人。但远离地面之上，冰雪的影响可能更为严重。当飞机飞过温度在零度以下的云层时，过冷的水滴会在诸如机翼、螺旋桨或引擎进气口表面形成冰层，导致阻力增加并显着降低升力，使飞机难以控制。

 向脆弱区域通热空气融冰的除冰系统已使用了数十年，但它们设备沉重，效率低下并且需要持续维护。尤其在应用了碳纤维增强聚合物复合材料（CFRP）的客机上使用时，它们也更耗能。近日在《碳》杂志上发表的一篇新论文报道了一种替代系统，一种基于碳纳米管（CNTs）的轻质电阻加热器，用于阻止复合材料飞机的结冰和除冰。

 来自贝尔法斯特女王大学的研究人员通过制备一种水平取向碳纳米管的连续膜，形成一个“碳纳米管网（CNT网）”。尽管沿着碳纳米管拉伸方向具有高导电性，但可以通过层层堆叠来控制CNT网的电阻。

  团队分别制备了由10-40层连续膜堆叠成的CNT网，并用玻璃纤维树脂固化以提供结构支撑，样品由铜箔连接到电源。该团队还制作了一系列等效电阻的CFRP /玻璃纤维叠层进行比较试验。发现10,20,30和40层的CNT网样品分别与4,8,12和16层的CFRP样品具有非常相似的电阻。

  CNT加热器与同等CFRP加热器相比获得了更高的加热和冷却速率。例如：加热30秒后，CNT-40样品达到95℃，而CFRP-12达到39℃。这表明CNT加热器可以比CFRP加热器占用更短时间和更少能量完成除冰。CNT堆叠也明显比CFRP具有更好的热均匀性——作者认为这是由于其厚度（CFRP-16样品比CNT-40样品厚10倍）在CFRP内存在大的温度梯度。

 对碳加热器阻止结冰性能的测试表明，超过半数的CFRP堆叠是有效的，而只有CNT-10未取得结果。融冰需要额外的能量来克服融化潜热，样品垂直安装以模拟（机翼）前缘。在模拟飞行条件下，CNT-40加热器在15秒内对测试表面进行了除冰，而对于性能最佳的CFRP加热器则需要25秒。

作者表示，与目前最先进的系统相比，他们的碳纳米管加热器“重量可忽略不计，加热快速均匀，能耗低，与CFRP兼容性高，并可进行调整以实现快速的防冻和除冰”。