CN114878457B - 一种测量固体材料表面切向冰黏附强度的试验装置和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种测量固体材料表面切向冰黏附强度的试验装置和方法，所述装置包括：拉压试验机、恒温箱、拔出装置和待测试样，所述待测试样位于拔出装置内；所述拔出装置位于恒温箱的内部，并与拉压试验机连接；所述恒温箱用于提供一个冰点以下的恒定温度并将拔出装置内的水冷冻，所述拉压试验机用于固定拔出装置、为待测试样提供竖直拔出力和输入、采集拔出待测试样的试验过程中的数据；所述方法通过所述装置将待测试样从冰中拔出并记录数据，建立理论模型，根据数据计算待测材料表面的冰黏附强度。本发明能够准确、稳定地测量待测样品表面的冰黏附强度，还可研究不同温度、不同样品尺寸、不同表面处理对待测样品表面冰黏附强度的影响。
Description
技术领域
本发明属于抗结冰功能表面设计与制备技术领域，具体涉及一种测量固体材料表面切向冰黏附强度的试验装置和方法。
背景技术
固体表面结冰会导致能源、安全等一系列问题，是低温环境下工业领域面临的主要难题之一。目前的除冰方法分为两种，其中主动除冰是向结冰系统输入电能、机械能、化学能等使其融化或脱落，被动除冰是通过表面设计削弱冰黏附。为了推动防除冰表面的发展，精确表征冰在固体表面的粘附性能即冰黏附强度是关键一环。考虑到实际除冰过程中冰主要是以剪切的方式脱离固体表面，冰在固体表面剪切粘附强度的测量受到了更多关注。
目前的测量冰在固体表面剪切粘附强度的方法主要有侧推法、离心法和冷冻液滴剥离法，由于试验测量过程中扭矩以及不均匀外力的存在，侧推法和冷冻液滴剥离法很难保证冰体所受合力沿剪切方向，而旋转臂高速旋转下产生的振动也使离心法中冰块的受力以及最终破坏模式无法精确恒定。并且，现有研究没有考虑冰-固界面处应力集中的存在，所采用的表面冰黏附强度要小于真实黏附强度，并且会随着界面尺寸的变化而变化。因此，设计一种能够准确、稳定测量材料表面冰黏附强度的装置及方法具有重要的科学意义和研究价值。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种测量固体材料表面切向冰黏附强度的试验装置和方法，能够准确、稳定地测量待测样品表面的冰黏附强度，可研究不同温度、不同样品尺寸、不同表面处理对待测样品表面冰黏附强度的影响。
本发明是通过下述技术方案实现的：
一种测量固体材料表面切向冰黏附强度的试验装置，包括：拉压试验机、恒温箱、拔出装置和待测试样，所述待测试样竖直位于拔出装置内；所述拔出装置位于恒温箱的内部，并与拉压试验机连接；所述恒温箱用于为拔出装置和待测试样提供一个冰点以下的恒定温度，将拔出装置内的水冷冻，所述拉压试验机用于固定拔出装置、为待测试样提供竖直拔出力和输入、采集拔出待测试样的试验过程中的数据。
进一步的，所述拉压试验机包括：底座、两个导轨、横梁、力传感器、测力杆、钩状转接头、立柱、横梁高度控制装置、数据采集系统和速度位移控制系统；
两个所述导轨沿竖直方向固定在底座上，所述横梁安装在两个导轨之间，且横梁的两端分别与两个导轨滑动配合，可沿两个导轨上下移动；所述测力杆沿竖直方向设置，并位于横梁的下方，且通过力传感器与横梁连接；
其中，所述力传感器一端与横梁连接，另一端与测力杆的顶端连接，钩状转接头一端与测力杆的底端连接，另一端设置一个钩；
所述立柱沿竖直方向固定在底座上，并与测力杆同轴相对；所述速度位移控制系统用于设定横梁移动的速度和位移，形成控制指令，并将该控制指令传输至所述横梁高度控制装置，横梁高度控制装置位于底座内，横梁高度控制装置接收控制指令按照设定的速度和位移移动横梁，调节横梁的高度；所述数据采集系统用于采集力传感器输出数据和横梁的位移。
进一步的，所述恒温箱包括温度控制装置和控温室，所述控温室的一侧与温度控制装置连接，另一侧设置有箱门，控温室的上下两个端面均加工有通孔，且两个通孔同轴相对；所述温度控制装置用于控制控温室内的温度，温度调控范围为-40℃～150℃；
所述拉压试验机和恒温箱的连接关系如下：所述拉压试验机的两个导轨分别位于恒温箱的控温箱外部的两侧，所述横梁位于控温箱的外部上方，所述测力杆穿过控温室上端面的通孔，所述立柱穿过控温室下端面的通孔。
进一步的，所述控温室的箱门的所在侧的上下两个端面均加工有矩形开口，所述矩形开口均采用可拆卸密封板进行密封，两个可拆卸密封板上的与箱门所在边相对的侧边均加工有一个通孔，所述通孔均一半位于密封板上，另一半位于控温室上，上下两个通孔同轴相对；
在安装拉压试验机与恒温箱时，拆卸可拆卸密封板，通过水平移动恒温箱使测力杆和立柱进入矩形开口，并使得测力杆位于控温室上侧的通孔内，立柱位于控温室下侧的通孔内后，安装上可拆卸密封板，关上箱门。
进一步的，所述拔出装置包括盛水装置、试样高度调节装置和试样固定装置，所述盛水装置安装在立柱上，试样高度调节装置安装在盛水装置上，所述试样固定装置位于试样高度调节装置顶部，且与拉压试验机的钩状转接头连接；
待测试样一端通过试样固定装置限位固定，另一端位于盛水装置中，所述试样高度调节装置用于调整待测试样另一端在盛水装置中入水的深度。
进一步的，所述盛水装置包括金属基底和橡胶圆环，所述金属基底固定安装在拉压试验机的立柱上，所述橡胶圆环通过密封胶固定在金属基底上；橡胶圆环和金属基底形成一个容器，该容器内装有水，所述水为去离子水；
所述试样高度调节装置包括载物台、高度调节垫片和支撑柱，所述载物台为板形结构，且中间设置有能让待测试样竖直通过的开口，开口的周围设置有三个以上圆孔；所述支撑柱为阶梯形圆柱，阶梯形圆柱的大径段和小径段的连接处形成一台阶面；与载物台的圆孔数量相同的支撑柱的大径段所在端均固定在盛水装置的金属基底上，小径段所在端分别一一对应穿过载物台上的圆孔，所述台阶面对载物台进行限位，使其位于橡胶圆环的上部；所述高度调节垫片设置在所述台阶面与载物台之间，通过设置高度调节垫片的厚度和数量对载物台的高度进行调节；
所述待测试样为一端加工有螺纹的圆柱棒；
所述试样固定装置包括转接头，所述转接头一端设置有圆环，另一端设置有螺纹孔；待测试样一端与所述转接头通过螺纹连接，另一端穿过载物台，置入盛水装置中；
拉压试验机通过钩状转接头的钩与转接头的圆环钩连，钩状转接头的钩与转接头的半圆环之间存在可在纵向进行相对移动的空间。
进一步的，所述试样固定装置还包括两个夹持半圆板，所述夹持半圆板为半圆形板，两个夹持半圆板对接组成一个圆板，所述圆板的圆心处加工有一中心孔，中心孔的半径与待测试样的半径相同，所述圆板放置在转接头与载物台之间，待测试样依次穿过两个夹持半圆板的中心孔和载物台，置入盛水装置中。
一种测量固体材料表面切向冰黏附强度的试验方法，基于所述试验装置，具体过程如下：
步骤一，安装待测试样，调节待测试样浸入水中的深度，调节恒温箱的恒定温度冷冻水使其结冰；
步骤二：将待测试样匀速从冰中拔出，利用数据采集系统记录过程中的最大拔出力；
步骤三：建立理论模型，计算待测材料表面的冰黏附强度；
步骤四：验证该方法的准确性和合理性。
进一步的，所述步骤一的具体过程为：
步骤1-1，用去离子水和酒精充分清洁待测试样表面，将待测试样的一端通过螺纹与转接头连接后，另一端穿过两个夹持半圆板的中心孔和载物台，置入盛水装置中；
步骤1-2，向盛水装置内注入去离子水，通过横梁高度控制装置和试样高度调节装置来调节待测试样的高度，从而能调整待测试样浸入水中的深度L；
所述深度L采用以下方式获得：用数据采集系统记录从待测试样底端接触水面到转接头接触夹持半圆板过程中的横梁的位移，从而得到待测试样浸入水中的深度L；
步骤1-3，调节控温室至一个冰点以下的恒定温度，充分冷冻使盛水装置中的去离子水至完全结冰，将待测试样冻结在冰中；
所述步骤二的具体过程为：
步骤2-1，利用速度位移控制系统设定横梁移动的速度和位移，启动横梁高度控制装置使横梁按照设定的速度和位移移动，钩状转接头与转接头接触后，在所述恒定温度下，将待测试样匀速从冰里拔出，利用数据采集系统记录下过程中测得的最大拔出力Fmax；
所述步骤三的具体过程为：
步骤3-1，建立理论模型，以冰基体上表面的圆心为原点，以待测试样的长度方向为纵向z方向，以待测试样的横截面半径方向为横向r方向，理论模型中不考虑待测试样所受的横向正应力，仅考虑其所受的纵向正应力和其表面所受的纵向剪切应力；通过剪滞模型的分析计算，得到待测材料与冰之间界面强度的公式如下：
其中，a为待测试样的半径，Ef为待测试样的弹性模量，b为冰基体的半径或中空橡胶圆环的内半径，Em为冰的弹性模量，νm为冰的泊松比，α为计算中间量，
所述冰的弹性模量Em通过冰的拉伸试验测得，在冰的拉伸试验过程中的制冰温度与实验温度均与所述恒定温度相同；
步骤3-1，将步骤2-1中测得的最大拔出力Fmax带入所述公式中，计算得到待测材料表面的冰黏附强度，即界面强度τimax；
所述步骤四的具体方法为：
采用不同半径的待测试样以及改变其埋入水中的深度L来改变界面尺寸，从而测得不同界面尺寸下的冰黏附强度，验证是否符合力学规律。
进一步的，在步骤一中，通过温度控制装置改变控温室中的恒定温度，研究温度对待测试样表面冰黏附强度的影响；
在步骤一中，改变待测材料的材料，测量不同材料以及不同表面处理对材料表面冰黏附强度的影响。
有益效果：
(1)本发明的试验装置同时包括了拉压试验机、恒温箱和拔出装置，恒温箱为拔出装置和待测试样提供一个-40℃～150℃范围内的恒定温度和冷冻拔出装置内的水，拉压试验机用于固定拔出装置、为待测试样提供纵向拔出力和采集拔出试验过程中的数据，从而能够在环境的温度恒定可控的情况下，进行拔出试验，再通过剪滞理论分析准确测量待测试样表面的冰黏附强度。
(2)本发明通过设置测力杆，将传感器和拉压试验机的横梁置于恒温箱外部，有效保护了传感器的使用性能和测量准确性，避免了温度变化对传感器的影响，同时减小了恒温箱内控温室的体积，提高了降温速率，在保证试验效果的同时节约了能源。
(3)本发明通过设置可拆卸密封板，在安装拉压试验机与恒温箱时，拆卸可拆卸密封板，通过水平移动恒温箱使测力杆进入过控温室上侧的通孔，立柱进入控温室下侧的通孔，使得恒温箱和拉压试验机的结合安装简便，无需对拉压试验机进行拆装。
(4)本发明的采用较软的橡胶圆环作为结冰的模具，使得水在结冰过程中可一定程度地自由膨胀，能够有效避免水在结冰过程中产生横向内应力挤压待测试样，使得拔出过程中待测试样表面只受到冰的纵向剪切应力的作用而不受横向的正应力，从而有效简化理论模型。
(5)本发明的拔出装置中设置有试样高度调节装置，通过设置高度调节垫片的厚度和数量对载物台的高度进行调节，能够有效测量和调节待测试样埋入水中的深度。
(6)本发明采用夹持半圆板，夹持半圆板置于载物台上，对待测试样进行限位固定，有效避免了待测试样在结冰过程中因为结冰膨胀而产生歪斜，从而保证其被纵向拔出。
(7)本发明拔出装置中，钩状转接头的钩穿过转接头顶端的半圆环后，钩与环之间在纵向仍存在一定空间进行相对移动，使得待测试样在结冰膨胀过程中受到冰纵向内应力作用时可通过微小的纵向位移进行缓冲，避免待测试样在结冰后存在纵向预应力，对试验结果造成影响。
(8)本发明通过拉压试验机控制待测试样的纵向拔出，且以测得的最大拔出力作为冰黏附力，有效避免了侧推试验、剥离试验、离心试验中，试验结果容易受人为因素影响的弊端。
(9)本发明采用不同半径的待测试样以及改变其埋入水中的深度L来改变界面尺寸，得到了以下结论，不同界面尺寸下测得的冰黏附强度值较为稳定，也就是两种确定的材料之间形成的确定的界面的界面强度不随着界面尺寸的改变而改变，这是符合力学规律的，从而本试验方法具有合理性。
(10)本发明在测得最大拔出力后，将结果带入理论模型中进行计算，从而得到待测试样表面的冰黏附强度，考虑了界面真实的受力状态，得到了真实的界面强度，有效避免了前人工作中直接将拔出力除以接触面积所得到的表观界面强度的不准确以及受界面尺寸影响显著的缺陷。
(11)本发明还可用于研究温度、不同材料、不同表面处理对待测试样表面冰黏附强度影响，也可以进行设定温度下的拉伸和压缩试验，如研究不同材料在不同温度下的拉伸和压缩性能。
附图说明
图1为本发明中拉压试验机和恒温箱组装后的右视图Ⅰ；
图2为本发明试验装置的结构示意图；
图3为本发明中拉压试验机和恒温箱组装后的右视图Ⅱ；
图4为本发明中恒温箱的俯视图；
图5为本发明中夹持半圆板、载物台和橡胶圆环组装后的俯视图；
图6为拔出试验的理论模型示意图。
其中，1-拉压试验机，2-横梁，3-螺丝，4-垫片，5-力传感器，6-横梁高度控制装置，7-恒温箱，8-控温室，9-箱门，10-温度控制装置，11-可拆卸密封板，12-通孔，13-销轴Ⅰ，14-螺母Ⅰ，15-测力杆，16-销轴Ⅱ，17-螺母Ⅱ，18-钩状转接头，19-转接头，20-待测试样，21-夹持半圆板，22-载物台，23-圆孔，24-高度调节垫片，25-支撑柱，26-橡胶圆环，27-金属基底，28-螺母Ⅲ，29-销轴Ⅲ，30-立柱，31-中心孔。
具体实施方式
下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。
实施例1：
本实施例提供了一种测量固体材料表面切向冰黏附强度的试验装置，能够在环境的温度可控的情况下，进行拔出试验，从而通过剪滞理论分析准确测量待测试样表面的冰黏附强度。
参见附图1-4，所述试验装置包括：拉压试验机1、恒温箱7、拔出装置和待测试样20，所述待测试样20竖直位于拔出装置内，所述拔出装置位于恒温箱7的内部，并与拉压试验机1连接，所述恒温箱7用于为拔出装置和待测试样20提供一个冰点以下的恒定温度和将拔出装置内的水冷冻，所述拉压试验机1用于固定拔出装置、为待测试样20提供竖直拔出力和输入、采集试验过程中的数据。
参见附图2，所述拉压试验机1包括：底座、两个导轨、横梁2、力传感器5、测力杆15、钩状转接头18、立柱30、横梁高度控制装置6、数据采集系统和速度位移控制系统。
参见附图2，两个所述导轨沿竖直方向固定在底座上，所述横梁2安装在两个导轨之间，且横梁2的两端分别与两个导轨滑动配合，可沿两个导轨上下移动；所述测力杆15沿竖直方向设置，并位于横梁2的下方，且通过力传感器5与横梁2连接；
其中，所述力传感器5一端通过螺丝3和垫片4与横梁2连接，另一端通过销轴Ⅰ13和螺母Ⅰ14与测力杆15的顶端连接，钩状转接头18一端通过螺母Ⅱ17和销轴Ⅱ16与测力杆15的底端连接；另一端设置一个钩；所述立柱30沿竖直方向固定在底座上，与测力杆15同轴相对；
所述速度位移控制系统用于设定横梁2移动的速度和位移，形成控制指令，并将该控制指令传输至所述横梁高度控制装置6，横梁高度控制装置6位于底座内，横梁高度控制装置6接收控制指令按照设定的速度和位移移动横梁2，调节横梁2的高度，从而控制钩状转接头18的初始位置；所述数据采集系统用于采集力传感器5输出数据和横梁2的位移。
所述恒温箱7包括温度控制装置10和控温室8，所述控温室8的一侧与温度控制装置10连接，另一侧设置有箱门9，控温室8位于箱门9的所在侧的上下两个端面均加工有矩形开口，所述矩形开口均采用可拆卸密封板11进行密封，两个可拆卸密封板11的与箱门9所在边相对的侧边均加工有一个通孔12，(通孔12一半位于密封板上，一半位于控温室8上)，上下两个通孔12同轴相对；所述温度控制装置10用于控制控温室8内的温度，温度调控范围为-40℃～150℃；
所述拉压试验机1和恒温箱7的连接关系如下：
所述拉压试验机1两侧的导轨分别位于恒温箱7的控温箱8外部的两侧，所述横梁2位于控温箱的外部上方，所述测力杆15穿过控温室8上端面的通孔12，所述立柱30穿过控温室8下端面的通孔12；
在安装拉压试验机1与恒温箱7时，拆卸可拆卸密封板11，通过水平移动恒温箱7使测力杆15穿过控温室8上侧的通孔12，立柱30穿过控温室8下侧的通孔12，安装上可拆卸密封板11，关上箱门9。由于恒温箱7上通孔12的存在，使得控温室8并不是完全封闭的，但是温度控制装置10会对控温室8中的温度进行实时调节，另外，通孔12相对于控温室8来说很小，所以控温室8内容易得到恒定的温度，可为试验提供较为密封的恒温空间。
所述拔出装置安装在拉压试验机1的钩状转接头18和立柱30之间，包括盛水装置、试样高度调节装置和试样固定装置，所述盛水装置安装在立柱30上，所述试样高度调节装置安装在盛水装置上，所述试样固定装置位于试样高度调节装置顶部，待测试验20一端通过试样固定装置限位固定，另一端位于盛水装置中，所述试样高度调节装置用于调整待测试样20另一端在盛水装置中入水的深度；
所述盛水装置包括金属基底27和橡胶圆环26，所述金属基底27通过螺母Ⅲ28和销轴Ⅲ29固定安装在拉压试验机1的立柱30上；所述橡胶圆环26通过密封胶固定在金属基底27上；橡胶圆环26和金属基底27形成一个容器，该容器内装有水，所述水为去离子水；
所述试样高度调节装置包括载物台22、高度调节垫片24和支撑柱25，所述载物台22为板形结构，且中间设置有能让待测试样20竖直通过的开口，开口的周围设置有三个以上圆孔23；本实施例的载物台22采用两块矩形板，且两块矩形板的中间留有待测试样20竖直通过的空间，每块板的两端均加工有圆孔23；所述支撑柱25阶梯形圆柱，阶梯形圆柱的大径段和小径段的连接处形成一台阶面；与载物台22的圆孔23数量相同的支撑柱25的大径段所在一端均固定在盛水装置的金属基底27上，小径段所在一端分别一一对应穿过载物台22上的圆孔23，所述台阶面对载物台22进行限位，使其位于橡胶圆环26的上部；所述高度调节垫片24设置在所述台阶面与载物台22之间，通过设置高度调节垫片24的厚度和数量对载物台22的高度进行调节；从而对试样固定装置的高度进行调节，从而对待测试样20在水中的深度进行调节；
所述待测试样20为一端加工有螺纹的圆柱棒；
参见附图5，所述试样固定装置包括两个夹持半圆板21和转接头19；所述夹持半圆板21为半圆形板，两个夹持半圆板21对接组成一个圆板，放置在载物台22上，所述圆板的圆心处加工有一中心孔31，中心孔31的半径与待测试样20的半径相同；所述转接头19一端设置有圆环，另一端设置有螺纹孔；待测试样20一端与所述转接头19通过螺纹连接，另一端穿过两个夹持半圆板21的中心孔31和载物台22，置入盛水装置中；所述夹持半圆板21用于固定待测试样20，防止在冻水成冰的过程中待测试样20歪斜；
拉压试验机1通过钩状转接头18的钩与转接头19的圆环钩连，钩状转接头18的钩与转接头19的半圆环之间存在可在纵向进行相对移动的空间。
利用本试验装置可测量待测试样20表面切向冰黏附强度，从而研究温度、不同材料、不同表面处理对待测试样20表面冰黏附强度影响，也可以进行设定温度下的拉伸和压缩试验，如研究不同材料在不同温度下的拉伸和压缩性能。
实施例2：
本实施例基于实施例1，提供了一种测量固体材料表面切向冰黏附强度的试验方法，其具体过程如下：
步骤一，安装待测试样20，调节待测试样20浸入水中的深度，调节恒温箱7恒定温度冷冻水使其结冰；
步骤二：将待测试样20匀速从冰中拔出，利用数据采集系统记录过程中的最大拔出力；
步骤三：建立理论模型，计算待测材料20表面的冰黏附强度；
步骤四：验证该方法的准确性和合理性。
通过本方法采用不同半径的待测试样20以及改变其埋入水中的深度L来改变界面尺寸，得到了以下结论，不同界面尺寸下测得的冰黏附强度值较为稳定，也就是两种确定的材料之间形成的确定的界面的界面强度不随着界面尺寸的改变而改变，这是符合力学规律的，从而该方法具有合理性。
所述步骤一的具体过程为：
步骤1-1，用去离子水和酒精充分清洁待测试样20表面，避免污染物的影响，将待测试样20的一端通过螺纹与转接头19连接后，另一端穿过两个夹持半圆板21的中心孔31和载物台22，置入盛水装置中；
步骤1-2，向盛水装置内注入去离子水，通过横梁高度控制装置6和试样高度调节装置来调节待测试样20的高度，从而调整待测试样20浸入水中的深度L；
所述深度L采用以下方式记录：用数据采集系统记录从待测试样20底端接触水面到转接头19接触夹持半圆板21过程中的横梁2的位移，从而得到待测试样20浸入水中的深度L；
步骤1-3，调节控温室8至一个冰点以，充分冷冻使盛水装置中的去离子水至完全结冰，将待测试样20冻结在冰中；
所述步骤二的具体过程为：
步骤2-1，利用速度位移控制系统设定横梁2移动的速度和位移，启动横梁高度控制装置6对使横梁2按照设定的速度和位移移动，钩状转接头18与转接头19接触后，在所述恒定温度下，将待测试样20匀速从冰里拔出，利用数据采集系统记录下过程中测得的最大拔出力Fmax；
所述步骤三的具体过程为：
步骤3-1，参见附图6，建立理论模型，以冰基体上表面的圆心为原点，以待测试样20的长度方向为纵向z方向，以待测试样20的横截面半径方向为横向r方向，理论模型中不考虑待测试样20所受的横向正应力，仅考虑其所受的纵向正应力和其表面所受的纵向剪切应力；通过剪滞模型的分析计算，得到待测材料与冰之间界面强度的表达式如下：
其中，a为待测试样20的半径，Ef为待测试样20的弹性模量，b为冰基体的半径或中空橡胶圆环26的内半径，Em为冰的弹性模量，νm为冰的泊松比，α为计算中间量，
所述冰的弹性模量Em通过冰的拉伸试验测得，在冰的拉伸试验过程中的制冰温度与实验温度均与所述恒定温度相同；
步骤3-1，将步骤2-1中测得的最大拔出力Fmax带入公式(1)中，计算得到待测材料20表面的冰黏附强度，即界面强度τimax。
所述步骤四的具体方式为：
采用不同半径的待测试样20以及改变其埋入水中的深度L来改变界面尺寸，从而测得不同界面尺寸下的冰黏附强度，验证是否符合力学规律。
实施例3：
本实施例基于实施例2，在步骤一中，通过温度控制装置10对控温室8中的恒定温度进行调节，研究温度对待测试样20表面冰黏附强度的影响。
实施例4：
本实施例基于实施例2，在步骤一中，改变待测材料20的材料(如不同金属、不同塑料)，测量不同材料以及不同表面处理对材料表面冰黏附强度的影响，从而为低冰黏附材料的研究提供参考。
综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种测量固体材料表面切向冰黏附强度的试验装置，其特征在于，包括：拉压试验机(1)、恒温箱(7)、拔出装置和待测试样(20)，所述待测试样(20)竖直位于拔出装置内；所述拔出装置位于恒温箱(7)的内部，并与拉压试验机(1)连接；所述恒温箱(7)用于为拔出装置和待测试样(20)提供一个冰点以下的恒定温度，将拔出装置内的水冷冻，所述拉压试验机用于固定拔出装置、为待测试样(20)提供竖直拔出力和输入、采集拔出待测试样(20)的试验过程中的数据；
所述拉压试验机(1)包括：底座、两个导轨、横梁(2)、力传感器(5)、测力杆(15)、钩状转接头(18)、立柱(30)、横梁高度控制装置(6)、数据采集系统和速度位移控制系统；
两个所述导轨沿竖直方向固定在底座上，所述横梁(2)安装在两个导轨之间，且横梁(2)的两端分别与两个导轨滑动配合，可沿两个导轨上下移动；所述测力杆(15)沿竖直方向设置，并位于横梁(2)的下方，且通过力传感器(5)与横梁(2)连接；
其中，所述力传感器(5)一端与横梁(2)连接，另一端与测力杆(15)的顶端连接，钩状转接头(18)一端与测力杆(15)的底端连接，另一端设置一个钩；
所述立柱(30)沿竖直方向固定在底座上，并与测力杆(15)同轴相对；所述速度位移控制系统用于设定横梁(2)移动的速度和位移，形成控制指令，并将该控制指令传输至所述横梁高度控制装置(6)，横梁高度控制装置(6)位于底座内，横梁高度控制装置(6)接收控制指令按照设定的速度和位移移动横梁(2)，调节横梁(2)的高度；所述数据采集系统用于采集力传感器(5)输出数据和横梁(2)的位移；
所述拔出装置包括盛水装置，所述盛水装置安装在立柱(30)上；
所述盛水装置包括金属基底(27)和橡胶圆环(26)，所述金属基底(27)固定安装在拉压试验机(1)的立柱(30)上，所述橡胶圆环(26)通过密封胶固定在金属基底(27)上；橡胶圆环(26)和金属基底(27)形成一个容器，该容器内装有水。
2.如权利要求1所述一种测量固体材料表面切向冰黏附强度的试验装置，其特征在于，
所述恒温箱(7)包括温度控制装置(10)和控温室(8)，所述控温室(8)的一侧与温度控制装置(10)连接，另一侧设置有箱门(9)，控温室(8)的上下两个端面均加工有通孔(12)，且两个通孔(12)同轴相对；所述温度控制装置(10)用于控制控温室(8)内的温度，温度调控范围为-40℃～150℃；
所述拉压试验机(1)和恒温箱(7)的连接关系如下：所述拉压试验机(1)的两个导轨分别位于恒温箱(7)的控温室(8)外部的两侧，所述横梁(2)位于控温室(8)的外部上方，所述测力杆(15)穿过控温室(8)上端面的通孔(12)，所述立柱(30)穿过控温室(8)下端面的通孔(12)。
3.如权利要求2所述一种测量固体材料表面切向冰黏附强度的试验装置，其特征在于，所述控温室(8)的箱门(9)的所在侧的上下两个端面均加工有矩形开口，所述矩形开口均采用可拆卸密封板(11)进行密封，两个可拆卸密封板(11)上的与箱门(9)所在边相对的侧边均加工有一个通孔(12)，所述通孔(12)均一半位于密封板(11)上，另一半位于控温室(8)上，上下两个通孔(12)同轴相对；
在安装拉压试验机(1)与恒温箱(7)时，拆卸可拆卸密封板(11)，通过水平移动恒温箱(7)使测力杆(15)和立柱(30)进入矩形开口，并使得测力杆(15)位于控温室(8)上侧的通孔(12)内，立柱(30)位于控温室(8)下侧的通孔(12)内后，安装上可拆卸密封板(11)，关上箱门(9)。
4.如权利要求1-3任意一项所述一种测量固体材料表面切向冰黏附强度的试验装置，其特征在于，所述拔出装置还包括、试样高度调节装置和试样固定装置，试样高度调节装置安装在盛水装置上，所述试样固定装置位于试样高度调节装置顶部，且与拉压试验机(1)的钩状转接头(18)连接；
待测试样(20)一端通过试样固定装置限位固定，另一端位于盛水装置中，所述试样高度调节装置用于调整待测试样(20)另一端在盛水装置中入水的深度。
5.如权利要求4所述一种测量固体材料表面切向冰黏附强度的试验装置，其特征在于，
所述水为去离子水；
所述试样高度调节装置包括载物台(22)、高度调节垫片(24)和支撑柱(25)，所述载物台(22)为板形结构，且中间设置有能让待测试样(20)竖直通过的开口，开口的周围设置有三个以上圆孔(23)；所述支撑柱(25)为阶梯形圆柱，阶梯形圆柱的大径段和小径段的连接处形成一台阶面；与载物台(22)的圆孔(23)数量相同的支撑柱(25)的大径段所在端均固定在盛水装置的金属基底(27)上，小径段所在端分别一一对应穿过载物台(22)上的圆孔(23)，所述台阶面对载物台(22)进行限位，使其位于橡胶圆环(26)的上部；所述高度调节垫片(24)设置在所述台阶面与载物台(22)之间，通过设置高度调节垫片(24)的厚度和数量对载物台(22)的高度进行调节；
所述待测试样(20)为一端加工有螺纹的圆柱棒；
所述试样固定装置包括转接头(19)，所述转接头(19)一端设置有圆环，另一端设置有螺纹孔；待测试样(20)一端与所述转接头(19)通过螺纹连接，另一端穿过载物台(22)，置入盛水装置中；
拉压试验机(1)通过钩状转接头(18)的钩与转接头(19)的圆环钩连，钩状转接头(18)的钩与转接头(19)的半圆环之间存在可在纵向进行相对移动的空间。
6.如权利要求5所述一种测量固体材料表面切向冰黏附强度的试验装置，其特征在于，所述试样固定装置还包括两个夹持半圆板(21)，所述夹持半圆板(21)为半圆形板，两个夹持半圆板(21)对接组成一个圆板，所述圆板的圆心处加工有一中心孔(31)，中心孔(31)的半径与待测试样(20)的半径相同，所述圆板放置在转接头(19)与载物台(22)之间，待测试样(20)依次穿过两个夹持半圆板(21)的中心孔(31)和载物台(22)，置入盛水装置中。
7.一种测量固体材料表面切向冰黏附强度的试验方法，基于权利要求6所述试验装置，其特征在于，具体过程如下：
步骤一，安装待测试样(20)，调节待测试样(20)浸入水中的深度，调节恒温箱(7)的恒定温度冷冻水使其结冰；
步骤二：将待测试样(20)匀速从冰中拔出，利用数据采集系统记录过程中的最大拔出力Fmax；
步骤三：建立理论模型，计算待测试样(20)表面的冰黏附强度；
所述步骤三的具体过程为：
步骤3-1，以冰基体上表面的圆心为原点，以待测试样(20)的长度方向为纵向z方向，以待测试样(20)的横截面半径方向为横向r方向，不考虑待测试样(20)所受的横向正应力，仅考虑其所受的纵向正应力和其表面所受的纵向剪切应力；通过剪滞模型的分析计算，得到待测材料与冰之间界面强度的公式如下：
其中，a为待测试样(20)的半径，L为待测试样(20)浸入水中的深度；α为计算中间量，其中，Ef为待测试样(20)的弹性模量，b为冰基体的半径或中空橡胶圆环(26)的内半径，Em为冰的弹性模量，νm为冰的泊松比；
所述冰的弹性模量Em通过冰的拉伸试验测得，在冰的拉伸试验过程中的制冰温度与实验温度均与所述恒定温度相同；
步骤3-2，将步骤二中测得的最大拔出力Fmax带入所述公式中，计算得到待测试样(20)表面的冰黏附强度，即界面强度τimax；
步骤四：验证该方法的准确性和合理性。
8.如权利要求7所述一种测量固体材料表面切向冰黏附强度的试验方法，其特征在于，
所述步骤一的具体过程为：
步骤1-1，用去离子水和酒精充分清洁待测试样(20)表面，将待测试样(20)的一端通过螺纹与转接头(19)连接后，另一端穿过两个夹持半圆板(21)的中心孔(31)和载物台(22)，置入盛水装置中；
步骤1-2，向盛水装置内注入去离子水，通过横梁高度控制装置(6)和试样高度调节装置来调节待测试样(20)的高度，从而能调整待测试样(20)浸入水中的深度L；
所述深度L采用以下方式获得：用数据采集系统记录从待测试样(20)底端接触水面到转接头(19)接触夹持半圆板(21)过程中的横梁(2)的位移，从而得到待测试样(20)浸入水中的深度L；
步骤1-3，调节控温室(8)至一个冰点以下的恒定温度，充分冷冻使盛水装置中的去离子水至完全结冰，将待测试样(20)冻结在冰中；
所述步骤二的具体过程为：
步骤2-1，利用速度位移控制系统设定横梁(2)移动的速度和位移，启动横梁高度控制装置(6)使横梁(2)按照设定的速度和位移移动，钩状转接头(18)与转接头(19)接触后，在所述恒定温度下，将待测试样(20)匀速从冰里拔出，利用数据采集系统记录下过程中测得的最大拔出力Fmax；
所述步骤四的具体方法为：
采用不同半径的待测试样(20)以及改变其埋入水中的深度L来改变界面尺寸，从而测得不同界面尺寸下的冰黏附强度，验证是否符合力学规律。
9.如权利要求7或8所述一种测量固体材料表面切向冰黏附强度的试验方法，其特征在于，在步骤一中，通过温度控制装置(10)改变控温室(8)中的恒定温度，研究温度对待测试样(20)表面冰黏附强度的影响；
在步骤一中，改变待测试样(20)的材料，测量不同材料以及不同表面处理对材料表面冰黏附强度的影响。
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