Conceptual Framework for Ice Adhesion Investigation on Surfaces

Ice accretion on industrial structures and instruments can endanger both the equipment and human life. To cope with icing hazards, low ice adhesion coatings are utilized, either alone or alongside active de-icing systems. This interest in icephobic surfaces has led to efforts to standardize processes and parameters for assessing ice adhesion, aiming to identify an equivalent method to contact angle measurements in the evaluation of wetting properties. The average shear stress is generally reported by studies as a measure of ice adhesion, which is the ratio of the force required to remove the ice to the ice-substrate contact area. This measure, however, does not take into account important aspects such as stress concentrations or the nature of the fracture mechanism. As a result, there can be variations up to an order of magnitude between ice adhesion results from different laboratories, even on traditional surfaces such as aluminum or steel. Specifically, there are two main known fracture mechanisms at the interface between materials: stress- or toughness-dominated fractures. The often-used average shear stress in ice adhesion tests is only relevant when the test is conducted in a stress-dominated regime; otherwise, the measured ice adhesion is underestimated and misleading. The interfacial toughness, which is relevant for toughness-dominated fractures, receives less attention, probably because its measurement is less intuitive and not as straightforward. Lack of differentiation between ice fracture mechanisms is one of the main sources of error in the literature and can lead to significant discrepancies. This work presents an in-depth analysis of the horizontal shear test, one among the most used ice adhesion test systems. An assessment method for both the stress- and the toughness-dominated fracture mechanism is developed, with the aim of improving the accuracy of the ice adhesion measurement. The conceptual framework developed here is based on a combination of experimental and numerical approaches and it can be applied to any type of mechanical push test. An interlaboratory study of different horizontal shear tests is conducted, highlighting the importance of harmonizing test conditions and reporting force versus time curves in mechanical push tests. The adhesion strength value alone is not necessarily sufficient to detect differences in terms of the fracture mechanism or coating degradation. Finally, a comparison with a dynamic de-icing test system is proposed, showing consistent trends with those reported in the literature. However, a quantitative comparison between ice adhesion values of test systems with different operating principles remains complex. This work represents a step forward in the accurate measurement of ice adhesion, paving the way to a thorough and comprehensive evaluation of surface icephobicity through a standardized protocol.

L'accumulo di ghiaccio su strutture e strumenti industriali rappresenta un rischio sia per l’integrità delle apparecchiature che per la sicurezza delle persone. Per contrastare i rischi legati alla formazione del ghiaccio vengono utilizzati sempre più frequentemente rivestimenti a bassa adesione al ghiaccio, spesso in combinazione con sistemi di sghiacciamento attivi. Per la valutazione dell’adesione del ghiaccio di nuovi substrati ghiaccio-fobici sono stati proposti processi e parametri di misura standardizzati, con l'obiettivo di identificare un metodo intuitivo e immediato, simile alle misure dell'angolo di contatto nella valutazione della bagnabilità. Negli studi è generalmente riportato lo sforzo di taglio medio, che è il rapporto tra la forza applicata e l'area di contatto ghiaccio-substrato. Questa misura, tuttavia, non tiene conto di aspetti importanti come le concentrazioni di sforzo o la natura del meccanismo di frattura. Di conseguenza, le variazioni tra misure effettuate in laboratori diversi possono raggiungere anche un ordine di grandezza, persino su materiali tradizionali come l’alluminio o l’acciaio. La frattura all’interfaccia tra due materiali può essere controllata dallo sforzo o dalla tenacità. Lo sforzo di taglio medio spesso utilizzato nei test di adesione del ghiaccio è rilevante solo quando la prova è condotta in un regime controllato dallo sforzo. Altrimenti, in un regime di frattura controllato dalla tenacità, lo sforzo di taglio medio esprime un’adesione del ghiaccio sottostimata e fuorviante. In generale, la tenacità interfacciale riceve meno attenzione in letteratura, probabilmente perché la sua misurazione è meno intuitiva e non altrettanto semplice. Una delle principali fonti di errore in letteratura è la mancata differenziazione tra i diversi meccanismi di frattura del ghiaccio. Questo lavoro presenta un’analisi approfondita della prova di taglio orizzontale, uno dei sistemi di prova di adesione del ghiaccio più utilizzati. Viene sviluppato un metodo di valutazione per entrambi i principali meccanismi di frattura, con l’obiettivo di migliorare l’accuratezza della misura di adesione del ghiaccio. Il quadro concettuale qui sviluppato si basa su una combinazione di approcci sperimentali e numerici e può essere applicato a qualsiasi prova di spinta meccanica. Sono stati confrontati i risultati di diverse prove di taglio orizzontale provenienti da tre diversi laboratori di ricerca, evidenziando la necessità di armonizzare le condizioni di prova il più possibile e di riferire le curve forza-tempo nelle prove di spinta meccanica. È stato inoltre evidenziato come il valore dello sforzo di taglio medio non è sufficiente per rilevare differenze in termini di meccanismo di frattura o di degrado del rivestimento. Infine, viene proposto un confronto con un sistema di prova dinamico di sghiacciamento, che mostra tendenze coerenti con quelle riportate in letteratura. Tuttavia, rimane difficile stabilire un confronto quantitativo tra i valori di adesione del ghiaccio ottenuti con sistemi di prova con principi di funzionamento diversi. Questo lavoro pone le basi per un protocollo di misurazione standardizzato dell’adesione del ghiaccio e sottolinea la necessità di una valutazione completa e approfondita della ghiaccio-fobicità dei substrati.