CN103073936B - 一种降低材料表面结冰附着强度的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种降低材料表面结冰附着强度的方法。利用水在冻结过程中相变膨胀产生的应力作为动力，通过对材料表面的结构设计和局部涂层，使其结冰相变膨胀产生的应变和应力作用于材料与结冰黏结界面，使其界面附着层发生位移或产生内部应力集中，最终实现冰在材料表面附着强度的降低，具体步骤如下：步骤一，在材料表面加工凹陷，所述凹陷在材料表面的分布为分散独立的凹坑，或连续的凹槽、波纹，或是交叉的凹槽、波纹；步骤二，在凹陷结构内侧局部喷涂涂层。发明的降低结冰强度的技术原理和方法可广泛的应用与所有的部件表面，通过结冰自身的膨胀力，引起表面结冰初期内部冻结界面的缺陷，降低结冰附着强度。

Description

一种降低材料表面结冰附着强度的方法

技术领域

本发明涉及材料表面冻结结冰的清理原理和方法。该方法利用水在冻结时相变膨胀中产生的应变和应力，使结冰附着界面发生位置的变化，降低表面结冰附着强度，便于部件表面结冰的清除。

背景技术

部件表面上的结冰现象会影响其工作效率、甚至造成安全隐患。如飞行器表面的结冰，电力输变电系统上的电力塔架、电缆上的覆冰，车辆底盘上的结冰积雪等。这些结冰现象不仅给系统带来负重载荷，甚至造成严重的事故。作为低冷环境下由于溅水、积水或降雨引起的不可避免的自然现象，部件表面的结冰问题的防治研究受到工程领域技术人员的关注。

目前，对于部件表面的结冰附着问题的解决主要以机械冲击、加热融化、化学融化等被动式清理方法为主。此外，近几年随着材料科学的发展基于涂层方法预防部件表面的结冰相关理论及技术的报告常被提及，如专利ZL200710099350.8(高疏水性防结冰及防结霜涂料及其制备方法)，ZJ201010034300.3(防结冰添加剂及其制备方法)，ZJ200610095802.0(抗腐蚀防结冰涂层)，200980105230.1(疏水蛋白在防止表面结冰中的应用)等等，这些研究通过在材料表面涂覆防结冰涂层方法实现主动式预防目的。但作为持续时间长，且伴随复杂的物质相变和界面黏附现象，漆涂层的效应的耐久性和实用性方面存在一定缺陷。

针对机械清除、热融化等被动式方法存在的能耗大、实施时间长等问题和以涂层为代表的主动式防结冰技术存在的耐久性和工程应用中的实际效果等问题，本发明基于水结冰过程中存在的体积膨胀为动力，利用特定表面形态和涂层共同使用的方法，降低结冰在部件表面的附着强度，最终实现降低表面结冰清理难度的目的。试验表明，水结冰过程中由于其密度的差异产生体积膨胀现象，其中水相变过程中的体积膨胀占据着主导位置。据测相变膨胀引起的体积膨胀可达1.11倍，利用合理的结构形态使用体积膨胀引起的形变和应力是本发明的思路。

发明内容

本发明所述的一种降低材料表面结冰附着强度的方法，目的在于针对机械清除、热融化等被动式方法存在的能耗大、实施时间长等问题和以涂层为代表的主动式防结冰技术存在的耐久性和工程应用中的实际效果等问题，提供防治和降低部件表面结冰强度的一种有效、简便、持久的技术原理和方法。

本发明的上述目的通过以下技术方案实现：

一种降低材料表面结冰附着强度的方法，利用水在冻结过程中相变膨胀产生的应力作为动力，通过对材料表面的结构设计和局部涂层，使其结冰相变膨胀产生的应变和应力作用于材料与结冰黏结界面，使其界面附着层发生位移或产生内部应力集中，最终实现冰在材料表面附着强度的降低，具体步骤如下：

步骤一，在材料表面加工凹陷，所述凹陷在材料表面的分布为分散独立的凹坑，或连续的凹槽、波纹，或是交叉的凹槽、波纹；

步骤二，在凹陷结构内侧局部喷涂涂层，其作用是通过隔热控制凹陷内的结冰规律，让凹陷外部水先冻结，使凹陷内部形成封闭边界，避免相变应力应变从凹陷开口处释放，实现凹陷内水结冰膨胀应力应变约束在凹陷容腔内，同时也降低冰在凹陷内材料表面的附着强度，涂层的厚度为0.1～2mm，凹槽内部涂层的覆盖比率为50～100％。

步骤一所述凹陷的几何形状为从底部至开口方向槽宽逐渐增大，在材料表面法向截面为弧形凹坑，或底边为半圆形的梯形，或底边为圆弧的渐开曲线型。

步骤一所述凹陷的表面孔径或宽度为1～10mm，深度为孔径或槽宽的20～60％。

步骤一所述凹陷在材料表面的占据面积比为30～95％。

步骤一中凹陷底部的涂层作用为隔热，同时在与膨胀力的作用下影响水与凹陷界面结合的稳定性，破坏材料表面结冰的不连续性，降低了冰在材料表面的黏附强度。

步骤二所述隔热涂层是指陶瓷微泡隔热保温涂料或空心玻璃粉树枝涂料先进隔绝传导型隔热涂料涂层，或采用导热系数小于1W/m×K的涂料涂层。

本发明基于水结冰过程中存在的体积膨胀为动力，利用特定表面形态和涂层共同使用的方法，降低结冰在部件表面的附着强度，最终实现明显降低表面结冰清理难度的效果。发明公开的降低结冰强度的技术原理和方法可广泛的应用与所有的部件表面，通过结冰自身的膨胀力，引起表面结冰初期内部冻结界面的缺陷，降低结冰附着强度。

附图说明

图1发明方法原理示意图。

图2表面凹陷形式。

图2(a)为圆弧凹坑。

图2(b)为连续多曲线凹坑。

图2(c)为连续凹槽。

图2(d)为交叉波纹凹陷。

图中1-工件，2-工件表面，3-凹陷，4-涂层

具体实施方式

下面结合附图进一步说明本发明的具体内容及其实施方式。

降低材料表面结冰附着强度的原理是利用水在冻结过程中相变膨胀产生的应力作为动力，并通过对材料表面的结构设计和局部涂层的方法，使其结冰相变膨胀产生的应变和应力作用于材料与结冰界面的切向方向，使其界面附着层发生位移或产生内部应力集中，最终实现材料表面结冰附着强度的降低。

具体方法如下：

(1)在工件材料表面加工凹陷形态。根据其工况条件和加工工艺条件，可采用独立凹坑(图2(a))、连续凹槽(图2(c))、连续交叉凹槽(图2(d))等形式；凹槽截面宽度尺寸从底部至开口方向保证逐渐变大，其形态可选择圆弧、底边为圆弧的梯形、或底部为圆弧双边为渐开曲线型。在部件材料表面上的凹陷宽度根据部件大小和材料特性，凹陷宽度可选择1～10mm，凹陷的深度为凹陷槽宽20～60％。凹陷在部件表面上的分布根据其部件上结冰发生概率和特征，可选择均匀分布或不均匀分布，凹陷在部件表面上的占据面积比为30～95％。部件表面上的凹陷形态加工根据其部件材料、形态等特征可采用锻造加工，滚压加工或钻铣加工。

(2)工件表面上凹陷内部的隔热涂层的涂覆。在凹陷内涂覆涂层的目的是减缓凹陷内部的水通过凹陷壁面失热结冰速率，造成凹陷开口处先结冰把凹陷内的水冰封在凹陷内，最大限度把凹陷内延缓结冰的水相变应力应变用于冻结界面的破坏上。凹陷内涂层采用导热系数小于1W/m×K的隔热性涂料涂层，也采用如陶瓷微泡隔热保温涂料或空心玻璃粉树枝涂料等先进隔绝传导型隔热涂料涂层。隔热涂层的涂覆工艺可采用局部单点喷涂(如对凹陷内定位施加涂覆)并烘干，也可采用部件表面整体涂覆后擦拭表面清除凹陷以外的涂料保留凹陷内部涂料并烘干。凹陷内的涂层厚度为0.1～2mm，覆盖比率为50～100％。

发明中指出的局部涂层主要作用为隔热，同时也有降低结冰附着强度的目的。涂覆涂层不仅降低热传递，同时在与膨胀力的共同作用下影响水与凹槽界面结合的稳定性，并引起材料表面结冰的不连续性，降低了材料的结冰附着强度。

发明公开的降低部件材料表面结冰附着强度的方法作用原理如下：针对在低温环境下工作的部件如车辆底盘上融雪溅射附着的冰雪黏附，电力塔架上由于冰雨引起的覆冰现象，分析其表面结冰附着分布和厚度等特征；在部件表面施加本发明公开的降低结冰强度方法，当雪水或冰雨溅射吸附到部件表面时，由于表面的凹陷和涂层存在水在部件表面上的分布厚度不均匀；吸附到表面的水需要通过部件表面向外失热冻结，由于凹陷内涂有隔热涂层凹陷内的水的冻结延迟于外层水冻结；由于凹陷内的水被凹陷口处结冰冰封，凹陷内的水继续冻结过程中相变膨胀应变和应力会作用于凹陷侧壁和冰封上表面，造成凹陷内结冰被吐出与凹陷界面分离或存在内部应力集中，以及破坏部件外表层结冰层的连续性，最终引起部件表面结冰强度降低目的。

实施例1

通过在材料表加工形状简单的凹陷，其横截面积形状关于凹陷的纵向轴线和横向轴线对称，同时在凹陷底部涂覆50～100％的防结冰涂层，其中根据零部件经常发生结冰的部位确定凹陷在表面的分布。

凹陷类似于四周封闭的容器，当材料表面的水分进入凹坑内并冻结，冻结过程中发生水的相变膨胀以及冰在温度变化时发生的膨胀，产生膨胀应力。由于凹坑截面形状在纵向和横向方向均对称，凹坑内水平方向膨胀力的总和约为零，而凹坑内部的冰在法相方向膨胀力的作用下，使水在凹坑表面存在冻结缺陷，同时使冰向材料表面移动并在顶端产生膨胀凸起，破坏表面结冰的连续性，降低了材料的结冰强度。凹坑底部涂覆的涂层主要是起隔热作用，阻止凹坑底部水冻结时释放的热量与材料之间进行热传递，同时在切向膨胀力的作用下，导致冰与凹坑底部界面层产生冻结缺陷甚至发生剥离，降低了材料的结冰强度。

实施例2

在工件表面要加工的凹陷形状可以为圆弧凹坑、连续多曲线凹坑、连续的凹槽、连续的交叉的凹槽或波纹等。根据实际工况中部件的结冰问题，凹陷的分布可以是多种形态和多种规则分布。部件表面上的防结冰形态及涂层的制备可以采用机械滚压或锻造方法在部件表面加工凹陷；涂层的涂敷可以先整体喷涂或浸泡涂料后外表面擦拭的方法去除平面区域涂层保留凹陷内涂层，也可以采用凹陷内定位独立喷涂的方法。

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，公开专利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 (3)

1.一种降低材料表面结冰附着强度的方法，其特征在于：利用水在冻结过程中相变膨胀产生的应力作为动力，通过对材料表面的结构设计和局部涂层，使其结冰相变膨胀产生的应变和应力作用于材料与结冰黏结界面，使其界面附着层发生位移或产生内部应力集中，最终实现冰在材料表面附着强度的降低，具体步骤如下： 

步骤一，在材料表面加工凹陷，所述凹陷在材料表面的分布为分散独立的凹坑，或连续的凹槽、波纹，或是交叉的凹槽、波纹；所述凹陷在材料表面的占据面积比为30～95％，所述凹陷的表面孔径或宽度为1～10mm，深度为孔径或槽宽的20～60％； 

步骤二，在凹陷结构内侧局部喷涂涂层，其作用是通过隔热控制凹陷内的结冰规律，让凹陷外部水先冻结，使凹陷内部形成封闭边界，避免相变应力应变从凹陷开口处释放，实现凹陷内水结冰膨胀应力应变约束在凹陷容腔内，同时也降低冰在凹陷内材料表面的附着强度，涂层的厚度为0.1～2mm，凹陷内部涂层的覆盖比率为50～100％； 

所述隔热涂层是指陶瓷微泡隔热保温涂料或空心玻璃粉树枝涂料先进隔绝传导型隔热涂料涂层，或采用导热系数小于1W/(m·K)的涂料涂层。 

2.根据权利要求1所述的一种降低材料表面结冰附着强度的方法，其特征在于：步骤一所述凹陷的几何形状为从底部至开口方向槽宽逐渐增大，在材料表面法向截面为弧形凹坑，或底边为半圆形的梯形，或底边为圆弧的渐开曲线型。 

3.根据权利要求1所述的一种降低材料表面结冰附着强度的方法，其特征在于：步骤一所述凹陷底部的涂层作用为隔热，同时在与膨胀力的作用下影响水与凹陷界面结合的稳定性，破坏材料表面结冰的不连续性，降低了冰在材料表面的黏附强度。