CN102628789A - 一种材料表面冰黏附强度法向力测试方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种材料表面冰黏附强度法向力的测试方法和装置。测试方法：首先，把沾取定量水的黏附探头垂直按压于已制冷的待测试样表面，待其接触面结冰黏结；其次，垂直拉黏附探头并测量剥离过程中的最大力，通过与黏附探头接触面积的换算得出表征待测试样法向冰黏附强度的定量参数。所述装置由机架兼试样固定台、制冷温控单元、黏附探头、探头推拉机构、测力传感器、黏附探头浸水水皿等部件组成。本发明中把水结冰过程作为一种黏附剂黏附黏结过程，通过定量控制温度、结冰水量、黏附探头接触端面积和施加载荷，可避免以往的试验误差和环境干扰。本发明原理结构简单，操作方便，可重复性高，真实地表征材料(或涂层)表面和冰的法向黏附强度。

Description

一种材料表面冰黏附强度法向力测试方法和装置

技术领域

本发明涉及材料表面冰黏附强度法向力测试方法和装置。这种测量方法和装置能够用于评价材料(涂层)表面的防结冰能力，对于低温零部件的设计具有参考价值。

背景技术

表面结霜、结冰问题是在低温环境下由于存在水分或水蒸汽而产生的一种粘附现象，例如汽车玻璃上的结霜、电力传输设备上的结冰；飞机翼上的结冰，制冷设施和空调的结霜等问题。合理、快捷地评价材料(或涂层)、不同的表面形态的冰黏附特性并分析材料(涂层)和表面形态的黏附规律是工程领域中开发研制防冻黏技术的基础。目前，针对材料表面的冰黏附特性的评价研究方法主要有：美国寒冷地区研究与工程试验室ASTM D3528-96(1996)测试标准；ISO813_1997规定了法向测试黏附力的标准；国内专利200910005590.6(一种测试覆冰或涂层结合强度的装置和方法)是一种用于测试覆冰与金属材料或涂料之间的粘结强度的测试装置和方法等。以上几种测试冰黏附强度方法和装置的主要问题有：(1)试验装置过于复杂，需配别过多的附加装置；(2)试验的可重复性不好，试验结果无法定量化等。

针对以上现有表面测试黏附强度的方法和装置的一些问题，本发明提出一种简便、可重复性强、能同时适用于材料(或涂层)的表面冰黏附强度的测试方法和装置。发明方法首先利用黏附探头沾取定量的水，然后压在已制冷的待测试样表面，使其与测试样表面结冰；然后通过推拉机构往上拉，利用测力传感器，可以得出此时最大的法向剥离力。由于本发明和装置每次黏附探头沾取定量的水结冰、试样表面制冷温度可控，因此可以得到定量化的试验结果，试验可重复性能够得到保证，并且结构简单，操作方便。

发明内容

针对材料表面对冰的法向黏附特性评价，本发明提出一种原理简单，可定量化、试验重复性强，操作简便，能够适用于包括涂层在内的材料表面的冰黏附强度测试方法和装置。

本发明的测试方法原理如下：首先对待测试样进行制冷，达到预定的制冷温度，并保持制冷温度的恒定。再利用黏附探头在水皿内沾取定量的水，并对黏附探头施加一定的载荷，使其与待测试样表面紧密接触，待其与待测试样表面结冰。然后对黏附探头施加一定的法向拉伸力，使其结冰剥离，通过力传感器可以得出剥离过程中的最大法向力，此值即用于表征待测试样表面冰黏附力。由于本发明方法和装置每次试验都沾取定量的水、待测试样表面制冷温度可控并保持温度不变，在试验装置简便的条件下，可以保证试验的可重复性，操作方便。

本发明所述的材料表面冰黏附强度法向力测试方法和装置，需按以下步骤进行：

第一步：制备待测试样3，保证其表面的平整度；

第二步：待测试样安装于机架兼试样固定台1上，并保证待测试样3与装在机架兼试样固定台1上的制冷单元2接触良好，开启制冷控制单元8，对待测试样3及机架兼试样固定台1进行制冷，制冷温度根据测试要求而设定，待测试样3表面温度达到设定温度后保持稳定状态；

第三步：待测试样3表面温度达到测试温度时，用黏附探头4浸泡于水皿9中，保证黏附探头4表面吸附的水分定量；将黏附探头4快速安装于装有力传感器5的推拉杆6上，通过调整推拉杆6使黏附探头4与待测试样3表面良好接触；

第四步：保持黏附探头4对待测试样3表面的压力恒定，直至黏附探头4和待测试样3表面水冻结黏结；根据界面结冰状态保持一定时间，使其冻黏界面10稳定；

第五步：拉动推拉杆6，使黏附探头4与待测试样3表面发生剥离；通过测力传感器5测量剥离过程最大拉力；并通过界面黏附面积的换算，得出待测试样3的法向冰黏附强度。

所述待测试样3表面法向冰黏附强度的测量温度可调，调整范围在-35～0℃；黏附探头4表面吸附的水量可控。

所述制冷温度控制以及黏附探头的沾水、加载、剥离过程由人工方式或通过电动方式完成。

一种用于上述的材料表面冰黏附强度法向力测试方法的装置，主要由机架兼试样固定台1、制冷单元2、黏附探头4、力传感器5、推拉机构6和定量水皿9组成，黏附探头4通过力传感器5安装于推拉机构6上，并通过推拉机构6沿垂直于待测试样3表面法向方向滑动，对试样表面加压或拉拖剥离，待测试样3通过制冷单元2装在机架兼试样固定台1上，制冷单元2的温度通过温度控制器8控制。

传感器可以得出此时最大剥离力。由面积可以换算出表征材料表面或涂层的黏附强度。

以上的制冷单元通过调节直流电源控制和保持温度，精确控制待测试样的制冷温度，制冷温度的调节范围根据选用不同的制冷单元而不同(一般在-35～0℃)。

发明公开的冰黏附强度的测试装置，该装置主要由制冷温控单元、黏附探头、推拉机构和底座以及测力传感器组成，所述的制冷温控单元置于底座内，黏附探头通过力传感器连接于推拉杆机构上。测力传感器通过黏附探头的法向拉伸来确定剥离过程中的最大剥离力。黏附探头沾水水皿通过设定可一直保证其盛水容量，便于控制黏附探头沾水量。

在此发明中黏附探头剥离待测试样表面的结冰时，通过测力传感器可以确定出拉伸过程中的最大剥离力。

在此发明中测力传感器可以采用电动或者通过手动来实现法向拉伸。

在此发明专利中黏附探头根据待测试样的冰黏附特性选择不同材质、不同形貌的不同黏附探头。测试过程中黏附冰层破裂发生在黏附探头侧，未发生在待测试样表面，表明待测试样的冰黏附强度大于黏附探头的冰黏附强度，视为试验结果无效，需更换冰黏附强度更大的黏附探头；界面黏附冰层破裂发生在黏附冰层内部，表明黏附探头和待测试样的冰黏附强度均大于冰自身的强度，视为试验结果有效，其结论为待测试样冰黏附强度大于冰破裂强度；界面黏附冰层破裂发生在待测试样表面，视所测法向力为待测试样的冰黏附法向强度。

相对于现有的表面黏附强度测试方法和手段，本发明公开的方法和装置有以下不同点：

1)试验装置中的制冷单元对待测试样制冷，并且在测试过程对待测试样进行保温。能有效地避免待测试样制冷后，再进行黏附试验时，由于温度变化而造成冰的融化，从而对试验结果造成很大的影响。

2)在进行试验之前，先对待测试样进行制冷，待其达到制冷温度后，利用黏附探头在水皿里沾取水，然后与待测试样表面进行接触、结冰，保证了试验结冰的速率，进而保证了试验条件的统一性和试验结果的准确性。试验装置中的黏附探头每次都沾取等量水。

3)、黏附探头根据其待测试样的冰黏附强度特性，可采用不同材料制备，为了加强其自身表面冰黏附强度可在黏附探头表面进行形貌改良和改性。为了减少黏附探头对待测表面的传热影响，对黏附探头预期连接的部件进行隔热处理，并且尽可能减小黏附探头的体积和热熔。

4)、在测试中，测试法向剥离力时的最大力通过黏附探头的下端面积换算得出表征材料或涂层表面的冰黏附强度。保证了试验不会引入其他的试验误差，从而保证了试验的精确性。

本发明公开的材料表面冰黏附强度法向力测试方法和装置，可用于多种材料、涂层表面待测试样的冰黏附强度测试，为工程中的材料和涂层提供了简易、可行有参照的评价方法和手段。

附图说明

图1是本发明公开的装置的一种实施例示意图。

图2是本发明公开的测试方法中对于黏附冰层剥离情况分辨示意图，其中：

图2(a)为黏附探头与待测材料表面由冰黏结初始状态；

图2(b)为黏附探头剥离过程中界面冰的破裂发生在黏附探头附近状态，此状态为“失败试验”，并不能真实反映待测试样的冰黏附法向特性，应更换其他黏附探头进行试验；

图2(c)为黏附探头剥离过程中界面冰的破裂发生在冰层内部，此状态为“合格试验”，表明待测试样的冰法向黏附强度超过冰本身破裂强度，其冰黏附法向强度定义为“大于冰本身破裂强度”；

图2(d)为黏附探头剥离过程中界面冰的破裂发生在待测试样表面或附近，此状态为“合格试验”，所测力真实表征待测试样冰法向黏附强度。

图3是本发明公开的黏附探头形式可采用的实施力示意图，其中：

图3(a)为圆柱形光滑表面黏附探头；

图3(b)为圆柱形黏附探头表面加工网纹；

图3(c)为圆柱形黏附探头表面上加工沉孔或通孔；

图3(d)采用方形光滑表面黏附探头。

图中：1.机架兼试样固定台，2.制冷单元，3.待测式样，4.黏附探头，5.测力传感器，6.推拉杆机构，7.力显示记录仪，8.温度控制器，9.定量水皿，10.界面黏附冰，11.快速连接段，12.滑动轴承，13.水。

具体实施方式

本发明公开的材料表面冰黏附强度法向力测试方法和装置，通过测试剥离试样表面结冰时的最大法向力来表征试样表面的冰黏附强度。与现有的冰黏附强度测试方法不同之处：本发明公开的方式是先对待测试样3进行制冷，并对其进行保温，后通过黏附探头4沾取的水13与待测试样3表面进行结冰。剥离过程中，通过推拉机构6法向拉伸黏附探头4使其与待测试样3表面的结冰发生剥离，通过测力传感器5可以确定出此过程中最大的剥离力。本发明公开方法的测试顺序是：

(1)待测试样3根据制冷单元2和试样夹紧装置来确定大小，对待测试试样3表面进行加工，保持平整度。

(2)开启制冷单元2，对待测试样3制冷到指定温度，并对其进行保温。

(3)此时，用黏附探头4在定量水皿9内沾取定量的水13，使其与待测试样3表面紧密接触，持续一定时间，待其结冰。此过程制冷单元2要保持对待测试样3进行保温。

(4)等待完全结冰后，通过推拉机构6的法向拉伸黏附探头4使其与待测试样3表面的结冰完全剥离，力传感器记录此时最大的法向剥离力。

通过公式

可以计算出表征此试样的冰黏附强度。

(5)换做其他的材料做试验时，重复以上(1)～(4)步骤。

本发明公开装置实施方法及说明。本发明公开方法测试装置具体实施方法及关键内容如下：待测试样3表面温度达到指定温度时，用黏附探头沾取定量的水，因为每次黏附探头都触到盛满水的容器的底部，定量水皿9是被包在一个较大的水容器里，从而保证了定量水皿9中的水13一直是出于外溢的状态，所以黏附探头4每次沾取的水都是定量的。其后，黏附探头4与待测试样3表面进行接触直到完全结冰。试验具有可重复性、简便性的特点，在试验过程中水其实是一种黏附剂。

为了减少试验干扰及误差，本发明公开的测试装置中黏附探头4材料、结构形式、形貌等都要根据待测试样3进行调整和选择。作为直接与待测试样3接触和黏结的黏附探头4应尽可能减小其体积和热熔，以此避免黏附探头4对黏结冰层及待测试样3负温的影响。试验过程中在测量最大法向力的同时，要观察界面冰层破裂位置和形态，根据其位置分辨试验结果是否“合格”，如破裂冰层破裂发生在黏附探头4表面，应及时更换冰黏特性更强材质的黏附探头4或采用表面粗糙化、形貌改变或具有盲孔、通孔的可增强表面结冰强度的黏附探头4进行试验。具体装置及测试实施中根据其测试目的及要求，可进行不同负温条件，黏附水量，冻结时间等定参数材料冻黏特性试验。

显然，根据本发明公开的内容及具体实施例说明，在本领域的其他的技术人员仍能做出其他不同形式的变动，本发明说明书中无法对所有的实施方式一一列举，但由此衍生出来的显而易见的变动仍属于本发明的保护范围之中。

Claims (4)

1.一种材料表面冰黏附强度法向力测试方法，其特征在于，通过拉拖剥离由水结冰黏结在试样表面的黏附探头时的最大法向力，以此来表征待测试样表面冰黏附法向强度，具体步骤如下：

第一步：制备待测试样(3)，保证其表面的平整度；

第二步：待测试样安装于机架兼试样固定台(1)上，并保证待测试样(3)与装在机架兼试样固定台(1)上的制冷单元(2)接触良好，开启制冷控制单元(8)，对待测试样(3)及机架兼试样固定台(1)进行制冷，制冷温度根据测试要求而设定，待测试样(3)表面温度达到设定温度后保持稳定状态；

第三步：待测试样(3)表面温度达到测试温度时，用黏附探头(4)浸泡于水皿(9)中，保证黏附探头(4)表面吸附的水分定量；将黏附探头(4)快速安装于装有力传感器(5)的推拉杆(6)上，通过调整推拉杆(6)使黏附探头(4)与待测试样(3)表面良好接触；

第四步：保持黏附探头(4)对待测试样(3)表面的压力恒定，直至黏附探头(4)和待测试样(3)表面水冻结黏结；根据界面结冰状态保持一定时间，使其冻黏界面(10)稳定；

第五步：拉动推拉杆(6)，使黏附探头(4)与待测试样(3)表面发生剥离；通过测力传感器(5)测量剥离过程最大拉力；并通过界面黏附面积的换算，得出待测试样(3)的法向冰黏附强度。

2.根据权利要求1所述的一种材料表面冰黏附强度法向力测试方法，其特征在于，所述待测试样(3)表面法向冰黏附强度的测量温度可调，调整范围在-35～0℃；黏附探头(4)表面吸附的水量可控。

3.根据权利要求1所述的一种材料表面冰黏附强度法向力测试方法，其特点在于，所述制冷温度控制以及黏附探头的沾水、加载、剥离过程由人工方式或通过电动方式完成。

4.一种用于权利要求1所述的材料表面冰黏附强度法向力测试方法的装置，其特征在于，主要由机架兼试样固定台(1)、制冷单元(2)、黏附探头(4)、力传感器(5)、推拉机构(6)和定量水皿(9)组成，黏附探头(4)通过力传感器(5)安装于推拉机构(6)上，并通过推拉机构(6)沿垂直于待测试样(3)表面法向方向滑动，对试样表面加压或拉拖剥离，待测试样(3)通过制冷单元(2)装在机架兼试样固定台(1)上，制冷单元(2)的温度通过温度控制器(8)控制。

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