CN109870405A - 一种冰粘附强度测量装置及测量方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种冰粘附强度测量装置及测量方法，该测量装置包括：制冷片、位于制冷片上方的模具、覆盖模具的亚克力盖、位于制冷片的一侧的导轨以及位于导轨上并且连接模具的推拉力计。本发明提供的冰粘附强度测量装置和测量方法可用于表征材料器件表面的冰粘附强度，统一测试标准，还可用于规范材料(如风机叶片、输电线路、高铁底部表面材料)的防除冰的研究。

Description

一种冰粘附强度测量装置及测量方法
技术领域
本发明涉及冰粘附强度测量，更具体地，涉及一种冰粘附强度测量装置及测量方法。
背景技术
结冰为一种自然现象，材料器件表面结冰会对生产生活造成巨大的影响。随着对结冰现象的重视，防除冰的研究逐渐成为热点，表面覆冰的除去难易程度通常用冰粘附强度表示，然而，由于测量装置的不一致，导致数据差距较大，无法进行横向比较。
针对以上问题，现有技术中通常采用一种冰粘附剪切强度测量装置，由基座，轴承，中心轴，力臂顺序连接，但是，该测量装置表面结冰不可控，导致数据重复性较差。
发明内容
针对以上问题，本发明提供了一种简易的冰粘附强度测量装置及测量方法，可较准确的测量材料表面冰粘附强度。
本发明提供了一种冰粘附强度测量装置，包括：
制冷片；
模具，位于所述制冷片上方；
亚克力盖，覆盖所述模具；
导轨，位于所述制冷片的一侧；以及
推拉力计，位于所述导轨上并且连接所述模具。
在以上冰粘附强度测量装置中，还包括真空系统，位于所述制冷片的与所述导轨不同的侧。
在以上冰粘附强度测量装置中，所述亚克力盖与所述模具上部均具有直径为1-3mm的开口，并且所述亚克力盖的开口与所述模具的开口垂直对准。
在以上冰粘附强度测量装置中，所述导轨中具有滚珠。
在以上冰粘附强度测量装置中，所述制冷片为具有冷台的半导体制冷片。
本发明还提供了一种冰粘附强度测量方法，包括以下步骤：
将测试材料放置在制冷片的冷台上；将模具放置在所述测试材料的表面上；将亚克力盖放置在所述模具上方并覆盖所述模具；向所述模具中注入水滴；通过所述制冷片进行降温；待所述水滴凝结成冰后，向远离所述测试材料的方向移动导轨和推拉力计，其中，所述推拉力计位于所述导轨上；以及读出所述推拉力计数值，计算冰粘附强度。
在以上冰粘附强度测量方法中，通过所述亚克力盖与所述模具上部的开口向所述模具中注入水滴，其中，所述开口的直径为1-3mm，并且所述亚克力盖的开口与所述模具的开口垂直对准。
在以上冰粘附强度测量方法中，所述导轨通过滚珠移动，所述滚珠位于所述导轨中。
在以上冰粘附强度测量方法中，通过所述制冷片对所述测试材料的表面进行制冷，其中，所述制冷片为半导体制冷片。
在以上冰粘附强度测量方法中，还包括：在通过所述制冷片进行降温时，通过真空系统抽真空。
本发明提供的冰粘附强度测量装置简易、便捷，在常温下即可操作，无需人员进入0℃以下环境；
此外，本发明提供的冰粘附强度测量方法简单，重复性强，通过半导体制冷片实现在常温下的结冰过程，有效的将半导体制冷技术运用在冰粘附强度的测量中。
附图说明
图1是冰粘附强度测量装置的示意图(1-制冷片；2-亚克力盖；3-模具；4-推拉力计；5-导轨)。
具体实施方式
下面的实施例可以使本领域技术人员更全面地理解本发明，但不以任何方式限制本发明。
本发明采用了可精确控温的半导体片，控温范围为-20℃～室温。半导体制冷器件的工作原理是基于帕尔帖原理，该效应是在1834年由J.A.C帕尔帖首先发现的，即利用当两种不同的导体A和B组成的电路且通有直流电时，在接头处除焦耳热以外还会释放出某种其它的热量，而另一个接头处则吸收热量，达到制冷效果；因此，本发明通过半导体制冷片实现了常温制冷结冰，摒弃了一般冰粘附测试装置在0℃以下工作的缺点，有利于人员操作，并且半导体制冷片的冷台可以针对性地对材料表面进行制冷，提高了制冷效果并且缩短了制冷时间。
本发明提供了一种冰粘附强度测量装置，包括：制冷片、位于制冷片上方的模具、覆盖模具的亚克力盖、位于制冷片的一侧的具有滚珠的导轨以及位于导轨上并且连接模具的推拉力计；该冰粘附强度测量装置还包括位于制冷片的与导轨不同的侧的真空系统(能抽真空的系统即可，如循环水式真空泵)；其中，该制冷片包括半导体制冷片；亚克力盖与模具上部均具有直径为1-3mm的对准的开口；该半导体制冷片具有冷台。
本发明还提供了一种冰粘附强度测量方法，包括以下步骤：将测试材料(包括但不限于特氟龙、铝片和不锈钢片)放置在半导体制冷片的冷台上；将模具放置在测试材料的表面上；然后将亚克力盖放置在模具上方并覆盖模具；通过模具开口向模具中注入水滴(水滴的体积约为模具体积的1/3-2/3)；通过半导体制冷片进行降温并且通过真空系统抽真空；待水滴凝结成冰后，向远离测试材料的方向缓慢移动(速度约为1-3cm/min)导轨和推拉力计，其中，推拉力计位于导轨上，该导轨中具有滚珠；以及读出推拉力计数值，计算冰粘附强度；其中，亚克力盖与模具上部均具有直径为1-3mm的对准的开口，水在底部中空的模具中直接与测试材料相接触。
在本发明中，亚克力盖与模具上部具有直径为1-3mm的对准的开口，用于测试时注入水滴，使得水滴可凝结在测试材料表面，并且亚克力盖用于隔绝模具与外界的联系，形成一封闭系统，真空系统用于抽离封闭系统中的空气，防止在降温条件下，水蒸气凝结在表面，影响实验精确度与重复性。
导轨中的滚珠可以控制导轨上的推拉力计缓慢地移动，使得推拉力计缓慢地施力于模具上，保证了施力的均匀性。
此外，测量结束后，关闭电源，半导体片失去制冷效果，温度升高，冰块自动融化，无需其它脱模剂。
实施例1
冰粘附强度测量装置如下图1所示，具体测试步骤为：
将测试材料特氟龙放置在半导体制冷片的冷台上，将模具(其具有1cm2的底面积)放置在测试材料特氟龙的表面上；
然后将亚克力盖放置在模具上方并覆盖模具，亚克力盖与模具上部具有直径为2mm的对准的开口；
通过模具开口向模具中注入水滴(水滴的体积约为模具体积的1/3)，通过半导体制冷片进行降温并且通过真空系统抽真空，待水滴凝结成冰后，向右(即，远离测试材料特氟龙的方向)缓慢移动(速度约为1cm/min)导轨，导轨滚珠向右移动，使得导轨上的推拉力计缓慢向右移动，此时，推拉力计缓慢施力于模具上，模具脱落时的推拉力计数值F为10.7N。
实施例2
与实施例1相同，除了模具脱落时的推拉力计数值F为9.8N之外。
实施例3
与实施例1相同，除了模具脱落时的推拉力计数值F为10.1N之外。
实施例4
冰粘附强度测量装置如下图1所示，具体测试步骤为：
将测试材料铝片放置在半导体制冷片的冷台上，将模具(其具有1cm2的底面积)放置在测试材料铝片的表面上；
然后将亚克力盖放置在模具上方并覆盖模具，亚克力盖与模具上部具有直径为1mm的对准的开口；
通过模具开口向模具中注入水滴(水滴的体积约为模具体积的2/3)，通过半导体制冷片进行降温并且通过真空系统抽真空，待水滴凝结成冰后，向右(即，远离测试材料铝片的方向)缓慢移动(速度约为2cm/min)导轨，导轨滚珠向右移动，使得导轨上的推拉力计缓慢向右移动，此时，推拉力计缓慢施力于模具上，模具脱落时的推拉力计数值F为150N。
实施例5
与实施例4相同，除了模具脱落时的推拉力计数值F为145.3N之外。
实施例6
与实施例4相同，除了模具脱落时的推拉力计数值F为149.6N之外。
实施例7
冰粘附强度测量装置如下图1所示，具体测试步骤为：
将测试材料不锈钢片放置在半导体制冷片的冷台上，将模具(其具有1cm2的底面积)放置在测试材料不锈钢片的表面上；
然后将亚克力盖放置在模具上方并覆盖模具，亚克力盖与模具上部具有直径为3mm的对准的开口；
通过模具开口向模具中注入水滴(水滴的体积约为模具体积的1/2)，通过半导体制冷片进行降温并且通过真空系统抽真空，待水滴凝结成冰后，向右(即，远离测试材料不锈钢片的方向)缓慢移动(速度约为3cm/min)导轨，导轨滚珠向右移动，使得导轨上的推拉力计缓慢向右移动，此时，推拉力计缓慢施力于模具上，模具脱落时的推拉力计数值F为55.3N。
实施例8
与实施例7相同，除了模具脱落时的推拉力计数值F为54.8N之外。
实施例9
与实施例7相同，除了模具脱落时的推拉力计数值F为56.4N之外。
通过实施例1至实施例9的模具中的冰块脱落时(剪切)施加力的大小F，冰与材料的的接触面积(即，模具的底面积)S，冰粘附强度P通过公式P＝F/S计算得到，计算结果如下表1所示：
表1
由上表1可知，本发明测试的特氟龙、铝片和不锈钢片的表面的冰粘附强度分别在102KPa、1483KPa和555KPa左右，测试数据均匀性较好，对比性高，可满足日常的科研需求；这是由于本发明通过亚克力盖隔绝外界空气，形成一封闭系统，同时真空系统用于抽离封闭系统中的空气，防止在降温条件下，水蒸气凝结在表面，影响实验精确度与重复性。
此外，本发明通过半导体制冷片实现了常温制冷结冰，摒弃了一般冰粘附测试装置在0℃以下工作的缺点，有利于人员操作。
综上，本发明提供的冰粘附强度测量装置和测量方法可用于表征材料器件表面的冰粘附强度，统一测试标准，还可用于规范材料(如风机叶片、输电线路、高铁底部表面材料)的防除冰的研究。
本领域技术人员应理解，以上实施例仅是示例性实施例，在不背离本发明的精神和范围的情况下，可以进行多种变化、替换以及改变。

Claims (10)

1.一种冰粘附强度测量装置，其特征在于，包括：
制冷片；
模具，位于所述制冷片上方；
亚克力盖，覆盖所述模具；
导轨，位于所述制冷片的一侧；以及
推拉力计，位于所述导轨上并且连接所述模具。
2.根据权利要求1所述的冰粘附强度测量装置，其特征在于，还包括真空系统，位于所述制冷片的与所述导轨不同的侧。
3.根据权利要求1所述的冰粘附强度测量装置，其特征在于，所述亚克力盖与所述模具上部均具有直径为1-3mm的开口，并且所述亚克力盖的开口与所述模具的开口垂直对准。
4.根据权利要求1所述的冰粘附强度测量装置，其特征在于，所述导轨中具有滚珠。
5.根据权利要求1所述的冰粘附强度测量装置，其特征在于，所述制冷片为具有冷台的半导体制冷片。
6.一种冰粘附强度测量方法，其特征在于，包括以下步骤：
将测试材料放置在制冷片的冷台上；
将模具放置在所述测试材料的表面上；
将亚克力盖放置在所述模具上方并覆盖所述模具；
向所述模具中注入水滴；
通过所述制冷片进行降温；
待所述水滴凝结成冰后，向远离所述测试材料的方向移动导轨和推拉力计，其中，所述推拉力计位于所述导轨上；以及
读出所述推拉力计数值，计算冰粘附强度。
7.根据权利要求6所述的冰粘附强度测量方法，其特征在于，通过所述亚克力盖与所述模具上部的开口向所述模具中注入水滴，
其中，所述开口的直径为1-3mm，并且所述亚克力盖的开口与所述模具的开口垂直对准。
8.根据权利要求6所述的冰粘附强度测量方法，其特征在于，所述导轨通过滚珠移动，所述滚珠位于所述导轨中。
9.根据权利要求6所述的冰粘附强度测量方法，其特征在于，通过所述制冷片对所述测试材料的表面进行制冷，
其中，所述制冷片为半导体制冷片。
10.根据权利要求6所述的冰粘附强度测量方法，其特征在于，还包括：在通过所述制冷片进行降温时，通过真空系统抽真空。
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