CN110793823B - 一种制备非冻结模型冰的人工引晶方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种制备非冻结模型冰的人工引晶方法，步骤如下：以石蜡为基材，加热形成液态石蜡，向液态石蜡中加入石膏粉、石英粉和硅粉，得到石蜡混合溶液；将玻璃纤维由上盖板各孔穿过，穿过长度与拟制备模型冰的柱状晶层厚度相同，玻璃纤维与模具底板间距和模型冰的粒状晶层厚度相同；将连接好玻璃纤维的上盖板放在低温环境下冷冻，并保证各根玻璃纤维相互平行且垂直于上盖板；将石蜡混合物溶液缓慢倒入模具中，把冷冻状态下的玻璃纤维和上盖板加盖在模具表面；液态石蜡混合物溶液在低温玻璃纤维表面迅速结晶固化，形成类似柱状的晶体结构，此时，静置模具直至全部石蜡溶液冷却凝固；制得基于人工引晶方法的非冻结模型冰。

Description

一种制备非冻结模型冰的人工引晶方法

技术领域

本发明属于涉高寒地区工程技术领域，涉及一种模拟高寒地区海冰的非冻结模型冰生成和制备方法。

背景技术

冰力学与冰工程学模型试验常同时具备流体模型试验和材料模型试验的特点。其中，材料模型试验要求模型材料与原型材料的物理力学性质满足模型比尺要求，从而保证模型材料的破坏模式和表现出来的力学性质具有相似性和可还原性。在冰力学模型试验中，就要求制备的模型冰与天然海冰的物理力学性质相似。

海冰是一种力学性质十分复杂的材料，海冰的晶体结构特征是由其结晶生长过程决定的。当海水温度降至零度以下，首先以水中杂质颗粒或降雪小冰晶体为结晶核，在其周围逐渐结晶生长，形成小冰针。随着小冰针体积增大，浮力增大，逐渐漂浮至水面附近。开敞海面会有因波浪、海流、风等引起较剧烈的水体扰动，在这种环境条件下冰晶体的生长方向是随机的，冰晶体逐渐生长联结，最终形成冰晶体基面和C轴(垂直于冰晶体基面的轴)方向随机分布的粒状冰层。在水面冷空气和粒状层下较温暖水体形成的温度梯度下，冰晶体沿温度梯度方向迅速生长，形成柱状纹理结构。而在水平方向上，在没有方向较固定的海流影响下，冰晶体C轴方向随机分布，从而形成了柱状冰层。与表面粒状冰层相比，柱状冰层生长速度较快，是海冰的主要成分。海冰在冻结过程中，内部总会混有气泡、卤水、裂纹等缺陷结构。冰晶体内部的连接强度要远大于晶体间的连接强度，因此，这些缺陷结构常在冰晶体之间区域分布，从而形成了沿柱状纹理的分布特征。

目前国际冰力学与冰工程学界在模型试验中使用的模型冰材料主要分为低温冻结模型冰和非冻结模型冰两类。其中，低温冻结模型冰是各低温拖曳冰水池实验室使用的主要模型冰类型。各冰水池通过不同的技术手段在实验室内模拟天然海冰的形成过程，从而制备出晶体结构与天然海冰相似的低温冻结模型冰，进而保证其宏观力学性质与天然海冰相似。非冻结模型冰与低温冻结模型冰相比，力学性质对环境温度不敏感，可适用于更广泛的试验场景。同时，非冻结模型冰还具有制备周期短、制作成本低、可批量生产等优点。

国外自上世纪70年代起，开发了一系列非冻结模型冰制备技术。1971年，英国Hovacraft公司以石蜡为基材，通过加热融化配置混合物溶液，经冷却凝固得到非冻结模型冰。1975年，Tryde以熟石膏、塑料细粒、盐、硼砂和水为主要原料，加热形成混合物溶液，经冷却制得与天然海冰密度相近的非冻结模型冰。1978年，加拿大学者Michel使用以石蜡和油为主要成分的混合物，通过加热溶解再冷却凝固的工艺流程，制得性能与Tryde模型冰相近的非冻结模型冰。1984年，Schultz和Free使用类似于英国Hovacraft公司的制备工艺流程，将加热后得到的聚乙烯粉、聚乙烯粒、重植物油、轻植物油和硬脂酸混合物溶液倒至水面冷却凝固，制得一种MOD非冻结模型冰。1990年，Beltao等将PVC脂、水泥、熟石膏、玻璃小球和水加热配置成溶液，冷却凝固得到一种SYG非冻结模型冰。国内在上世纪90年代末，也开始了非冻结模型冰制备技术的研发。2001年，大连理工大学的李志军等将聚丙烯粒、白水泥和水混合搅拌、铸模、养生，制成DUT-1非冻结模型冰。2017年，哈尔滨工程大学的骆婉珍等加热石蜡和聚苯乙烯泡沫形成混合物溶液，冷却后得到非冻结模型冰，并用于螺旋桨切冰试验。

根据现有非冻结模型冰制备技术的工艺流程可知，已有制备方法均未对模型冰晶体的结晶过程进行干预，模型冰晶体结晶过程的环境条件与天然海冰有很大差异。因此，在这种环境下得到的模型冰不具备类似天然海冰的柱状纹理结构，进而模型冰表现出来的破坏模式和裂纹扩展特征也会与天然海冰有所不同。这就需要改进现有的非冻结模型冰制备技术，通过人工引晶技术对模型冰晶体的结晶过程进行控制，诱导模型冰晶体的成核和生长方向，从而得到与天然海冰相似的柱状纹理特征。

现有非冻结模型冰制备方法主要存在的技术问题是模型冰晶体的生长模式与天然海冰的结晶过程有明显差异。天然海冰的结晶过程受到海面扰动、海水温度梯度等环境条件的影响，最终形成由表面粒状冰层和下部柱状冰层组成的分层结构。在海水温度梯度的影响下，天然海冰会形成柱状纹理结构特征，其内部缺陷结构也沿晶体边界呈柱状分布形式。现有非冻结模型冰制备方法未对结晶过程进行干预，模型冰晶体是在均匀、稳定的环境下自然结晶生长，从而得到各向均匀的晶体结构形式。这一结晶过程的差异需要通过人工控制非均向成核场方法，对模型冰的成核和生长进行引晶和控晶，来引导石蜡基材的晶体生长模式趋近于天然海冰的结晶过程。

发明内容

本发明的目的是克服现有非冻结模型冰制备技术的上述不足，提供一种制备非冻结模型冰的人工引晶方法。本发明方法改进了已有非冻结模型冰制备过程中的结晶方式，对模型冰晶体的成核过程和生长模式进行干预，通过人工引晶技术和控晶技术制备得到与天然海冰有相似柱状纹理结构的非冻结模型冰。同时，这一人工引晶方法还可以促使模型冰内的缺陷结构形成沿柱状纹理分布的特征，从而使得模型冰的裂纹扩展模式和断裂特征与天然海冰有较好的相似性。使用本发明方法制备的非冻结模型冰，在破坏模式上达到了对天然海冰很好的模拟水平。

针对现有非冻结模型冰制备技术所导致的与天然海冰力学性质和破坏模式的差异，本发明通过以下技术方案实现对非冻结模型冰结晶过程的控制，以解决上述技术问题。

一种制备非冻结模型冰的人工引晶方法，所采用的模具包括所述模具包括模具外板、制模室和玻璃纤维丝，制模室由模具外板即上盖板、侧板和底板围成，模具上盖板为多孔板，玻璃纤维丝穿过各个孔形成阵列，玻璃纤维丝的直径和间距根据拟制备模型冰力学参数进行设置。人工引晶方法如下：

(1)以石蜡为基材，加热形成液态石蜡，向液态石蜡中加入石膏粉、石英粉和硅粉，得到石蜡混合溶液；

(2)将玻璃纤维由上盖板各孔穿过，穿过长度与拟制备模型冰的柱状晶层厚度相同，玻璃纤维与模具底板间距和模型冰的粒状晶层厚度相同；

(3)将连接好玻璃纤维的上盖板放在低温环境下冷冻，并保证各根玻璃纤维相互平行且垂直于上盖板；

(4)将石蜡混合物溶液缓慢倒入模具中，把冷冻状态下的玻璃纤维和上盖板加盖在模具表面；液态石蜡混合物溶液在低温玻璃纤维表面迅速结晶固化，形成类似柱状的晶体结构，此时，静置模具直至全部石蜡溶液冷却凝固；

(5)拆除模具侧板和底板，截断各玻璃纤维后取下盖板，制得基于人工引晶方法的非冻结模型冰。

优选地，在液态石蜡中加入0.5-2％石膏粉、2-4％石英粉和1-3％硅粉，搅拌均匀，得到石蜡混合溶液。冷冻状态下的玻璃纤维的温度在-15℃以下。

本发明的实质性特点为：①使用混有石膏粉、石英粉和硅粉的石蜡混合溶液制备非冻结模型冰。②设计了专用的非冻结模型冰制备模具(如图1)，通过该模具实现了利用低温玻璃纤维引晶，促使液态石蜡混合溶液结晶形成柱状纹理结构。同时，在人工引晶过程中留在模型冰内的玻璃纤维构成柱状缺陷结构，可以更准确模拟天然海冰的晶体结构特征。③可以在室温环境下制备模型冰，石蜡混合溶液的融点较低且可重复利用，可实现低成本、大批量的快速制备。

采用本发明技术方案制备的基于人工引晶方法的非冻结模型冰，与天然海冰的力学性质更为相似，具有相近的裂纹扩展特性和破坏模式，可有效提高非冻结冰力学模型试验的准确性，缩短试验周期，降低试验成本。具体优点体现为：

(1)以石蜡为基材，保证与天然海冰的密度相近。纯石蜡与冰相比有较强的韧性，混入石膏粉、石英粉和硅粉后，提高了材料的脆性，从而使得制备的非冻结模型冰与天然海冰的脆性特征更为相近。

(2)使用玻璃纤维人工引晶，对液态石蜡混合溶液的结晶过程进行干预，促使制得的模型冰形成类似天然海冰的柱状纹理结构。同时，留在模型冰内的玻璃纤维可以有效模拟天然海冰中的缺陷结构及其分布形式。使用该人工引晶制备技术得到的非冻结模型冰，与天然海冰有更好的相似性，从而使得模型冰的裂纹扩展和破坏模式与天然海冰更接近。

(3)石蜡混合溶液可以经融化重复利用，可拆装模具也可以实现反复使用，很大程度上降低了模型冰的制备成本，同时提高了制备效率。

附图说明

图1是本发明基于人工引晶方法的非冻结模型冰专用制备模具结构示意图。

图2是模具上盖板结构示意图。

图3进行单轴压缩试验的破坏情况。(a)是改进的低温冻结尿素模型冰进行单轴压缩试验的破坏情况。(b)是本发明基于人工引晶方法的非冻结模型冰进行单轴压缩试验的破坏情况。

图中标号说明：1、模具制模室；2、模具上盖板；3、模具上盖板开孔；4、玻璃纤维丝。

具体实施方式

下面结合实例对本发明进行详细说明。

1.配置石蜡混合溶液。为有效模拟天然海冰密度，选取与海冰密度相近的石蜡作为基材。加热固态石蜡至其全部融化为液态石蜡。为提高非冻结模型冰的脆性，使其在力学性质上与天然海冰更为相似，在液态石蜡中加入1％石膏粉、3％石英粉和1.5％硅粉，搅拌均匀备用。

2.组装非冻结模型冰制备模具。使用预制ABS板材按照图1所示样式拼接，组装非冻结模型冰制备模具的侧板和底板，板材外部用胶带固定，便于取出模型冰时拆卸模具。模具中1是制模室，液态石蜡溶液在制模室内完成结晶固结过程形成模型冰。

3.冷冻上盖板玻璃纤维。将玻璃纤维丝4穿过上盖板开孔3形成玻璃纤维阵列，各玻璃纤维丝在上盖板2上表面汇聚连接在一起。位于上盖板2下方的各玻璃纤维丝彼此平行且垂直于上盖板，下方露出玻璃纤维长度与拟制备模型冰的柱状晶层厚度相同，玻璃纤维下端与模具底板间距等于模型冰粒状晶层厚度。玻璃纤维直径和彼此间距是影响制备模型冰力学性质的重要因素，需根据拟制备模型冰的目标强度设置，如表1所示。上盖板开孔3的孔径略大于玻璃纤维直径，以保证其可以顺利穿过。将组装好带有玻璃纤维阵列的上盖板2放入冰柜中，保证各玻璃纤维丝自然下垂，设置冰柜内温度为-20℃，将玻璃纤维温度降至该温度备用。

表1不同玻璃纤维直径、间距下模型冰单轴压缩强度

4.倒入石蜡混合溶液。将已搅拌均匀的石蜡混合溶液缓慢倒入模具制模室1中直至倒满。

5.通过人工引晶、控晶技术干预石蜡混合溶液结晶固结过程。将带有玻璃纤维阵列的上盖板2从冰柜中取出，缓慢加盖在模具上表面。低温玻璃纤维插入液态石蜡混合溶液中，溶液在玻璃纤维表面迅速结晶固化。

6.冷却凝固，拆除模具。石蜡混合溶液在低温玻璃纤维表面迅速结晶，并沿垂向生长，形成柱状纹理结构。此时静置模具，在室温环境下等待石蜡混合溶液逐渐冷却凝固。待完全凝固后拆除模具，截断上表面各玻璃纤维后取下上盖板2。模型冰与模具底板和侧板接触面在重力作用下会形成光滑平面，用刨子对模型冰与上盖板接触面进行整理打磨至平面，将模型冰上下翻转，与模具底板接触面向上，即制得基于人工引晶方法的非冻结模型冰。

7.单轴压缩试验检验非冻结模型冰力学性质。对制备得到的非冻结模型冰进行单轴压缩试验，如图3(b)所示，可见非冻结模型冰在单轴受压条件下的破坏形式与低温冻结模型冰十分相近(如图3(a)所示)。使用本发明制备方法，可以制得非冻结模型冰冰厚范围为3～5cm，单轴压缩强度范围为300～450kPa。

Claims (3)

1.一种制备非冻结模型冰的人工引晶方法，所采用的模具包括所述模具包括模具外板、制模室和玻璃纤维丝，制模室由模具外板即上盖板、侧板和底板围成，模具上盖板为多孔板，玻璃纤维丝穿过各个孔形成阵列，玻璃纤维丝的直径和间距根据拟制备模型冰力学参数进行设置，人工引晶方法如下：

(1) 以石蜡为基材，加热形成液态石蜡，向液态石蜡中加入石膏粉、石英粉和硅粉，得到石蜡混合溶液；

(2) 将玻璃纤维由上盖板各孔穿过，穿过长度与拟制备模型冰的柱状晶层厚度相同，玻璃纤维与模具底板间距和模型冰的粒状晶层厚度相同；

(3) 将连接好玻璃纤维的上盖板放在低温环境下冷冻，并保证各根玻璃纤维相互平行且垂直于上盖板；

(4) 将石蜡混合物溶液缓慢倒入模具中，把冷冻状态下的玻璃纤维和上盖板加盖在模具表面；液态石蜡混合物溶液在低温玻璃纤维表面迅速结晶固化，形成柱状的晶体结构，此时，静置模具直至全部石蜡溶液冷却凝固；

(5) 拆除模具侧板和底板，截断各玻璃纤维后取下盖板，制得基于人工引晶方法的非冻结模型冰。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在液态石蜡中加入0.5-2%石膏粉、2-4%石英粉和1-3%硅粉，搅拌均匀，得到石蜡混合溶液。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，冷冻状态下的玻璃纤维的温度在-15℃以下。

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