Pyroelectric Materials in Liquid Environment and their Application for the Delay of Ice Formation

Icing on materials surface causes operational failures as well as technical and safety issues. Furthermore, it reduces the energy efficiency of the power supply and passenger/freight transportation systems. Conventional active deicing methods are widely used to remove ice, but are often associated with uneconomically high energy consumption and high maintenance costs, often not being aware of their environmental impact. Instead, passive anti-icing methods are being sought to prevent or delay ice formation by means of physico-chemical surface treatment. Pyroelectric materials can be used as possible anti-icing surfaces after their ability to inhibit ice nucleation has been experimentally demonstrated. This makes use of the effect of the pyroelectrically induced surface charge, which changes with the ambient temperature and thus, hypothetically, exerts an influence on the dipole orientation of the water molecules at the surface. This is expected to affect the hydrogen bonding network of the interfacial water in the supercooled liquid phase, depending on the sign of surface charge. However, the Classical Nucleation Theory predicts an increased nucleation rate with increasing electric field strength of the pyroelectric surface charge irrespective of its polarity, as confirmed by many experiments. This raises the question of what exactly influences the ice nucleation. The main purpose of this thesis is to find a relationship between the pyroelectricity and the ice nucleation rate. Various theoretical and experimental investigation methods have been used to examine which of the possible influencing factors related to the pyroelectric material surface plays a major role in promoting or inhibiting ice nucleation.:Contents Abstract i List of figures xi List of tables xv 1 Introduction 1 1.1 Motivation 1 1.2 Objective and Tasks 4 1.3 Structure of the thesis 6 2 Basics 7 2.1 Pyroelectric materials 7 2.1.1 Fundamental properties 7 2.1.2 Lithium niobate, LiNbO3 14 2.2 Ice nuclea
Vereisung auf Werkstoffoberflächen führt einerseits zu Betriebsausfällen und andererseits zur Reduzierung der Energieeffizienz von Energieversorgungs- sowie Personen- und Gütertransportsystemen. Sie stellt nicht selten ein sicherheitstechnisches und gesundheitliches Risiko dar. Da die konventionellen aktiven Enteisungsmethoden mit hohem Energieaufwand und hohen Wartungskosten verbunden sind, wird nach passiven Anti-icing-Methoden als vorbeugende Maßnahmen zur Vermeidung/Verzögerung von Eisbildung auf physikalisch-chemisch behandelten Oberflächen gesucht. Der Einsatz dieser Werkstoffoberflächen senkt nicht nur den Energieverbrauch, sondern soll auch die Umwelt schonen. Pyroelektrische Materialien kommen als passive Anti-icing-Oberflächen in Frage, nachdem ihre eiskeimbildungshemmende Fähigkeit experimentell nachgewiesen wurde. Dabei wird der Effekt der pyroelektrisch induzierten Oberflächenladung ausgenutzt, die sich mit der Umgebungstemperatur ändert und somit, hypothetisch gesehen, einen Einfluss auf die Dipolorientierung der Wassermoleküle an der Oberfläche ausübt. Das hat je nach Vorzeichen der Oberflächenladung Auswirkungen auf das Wassermolekülbindungsnetzwerk des Grenzflächenwassers in der unterkühlten flüssigen Phase. Da die klassische Keimbildungstheorie jedoch eine erhöhte Keimbildungswahrscheinlichkeit mit zunehmender Stärke des elektrischen Feldes der pyroelektrischen Oberflächenladung unabhängig von ihrem Vorzeichen voraussagt, wie es ebenfalls in vielen Experimenten nachgewiesen wurde, stellt sich die Frage, was genau die Eiskeimbildung beeinflusst. Das Hauptanliegen dieser Arbeit ist, einen Zusammenhang zwischen der Pyroelektrizität der Oberfläche und der Eiskeimbildungsrate zu finden. Mithilfe einer Vielzahl von verschiedenen theoretischen und experimentellen Methoden wird untersucht, welcher der möglichen Einflussfaktoren im Zusammenhang mit der pyroelektrischen Materialoberfläche eine große Rolle bei der Eiskeimbildung spielt.:Contents Abstract i Li