CN202033278U - 一种冰黏附强度测试装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种冰黏附强度测试装置。该装置由样品固定架、制冷单元、水滴定单元、滑刀、力传感器等部件构成。使用时待测试件固定于样品固定架上，通过底部的制冷单元对待测试件制冷；待测试件达到预定制冷温度时，利用水滴定装置滴定定量水至待测试件表面使其在待测试件表面快速结冰；等待样本表面结冰后，利用带力传感器的滑刀平行推试件表面结冰凸包，并测试结冰剥离(或破裂)时最大力，此力即用于表征材料表面或涂层表面的冰黏附强度。该装置原理及结构简单，操作简便，能真实表征材料(或涂层)表面与冰的切向黏附强度。并且由于准确控制结冰规律、形态以及实验温度等主要参数，因此可保证测试的重复可靠性和准确性。

Description

一种冰黏附强度测试装置

技术领域

本实用新型涉及一种测试材料(涂层)表面冰黏附强度的方法及配套测试装置。这种测量装置能用于评价不同材料、涂层以及表面形态(光滑、粗糙或规则非光滑)的防结霜结冰能力，对于设计低温高湿环境下的工作部件的设计加工具有参考意义。

背景技术

表面结霜结冰是低温环境下由于水分的存在而产生的一种特殊的黏附现象，冬季电力输变电设施上的覆冰、汽车玻璃结霜、建筑幕墙上的积雪结霜、通讯设备(如卫星天线)表面的积雪、高空飞行的飞机机翼上的结冰、制冷设备制冷表面的结霜等都是典型的表面结冰黏附问题。作为一种客观自然现象，冰黏附现象对人类生产、生活活动的影响从未停止，并且随着社会、科技发展和人类对生产效率、可靠性、安全性要求的不断提高而提高，冰黏附现象引起的各种隐患和危害逐渐被关注。目前针对部件表面的冰黏附问题研究主要以热溶解、防冻液膜、机械(或气动)铲除等被动式方法和通过部件表面特性改良改性实现防结冰技术研究为主。其中表面改性改良方法作为主动式防范技术受到关注。评价部件表面的冰黏附特点及强度是研究防结冰理论及技术研究的基础。有效、合理、快捷的评价材料(或涂层)、或不同表面形态(光滑、粗糙、规则非光滑)的冰黏附特性是分析材料(或涂层)和表面形态冰黏附特性，研发防冰黏附表面技术的参考依据。

目前国内外有关表面结冰强度测试方法主要有：美国寒冷地区研究与工程实验室ASTMD3528-96(2002)测试标准，该标准基于黏附剂黏附强度测试方法，设计了双试件搭接切向力测试方法，用于评价材料表面与冰的黏附强度；美国陆军工兵部队和寒冷地区研究工程实验室提出的和目前国内外普遍采用的空芯圆桶制冰后测量剪切和法向剥离强度，该方法以空芯圆桶在试样表面倒置制冰，利用法向和切向的推力剥离空芯杯中的冰和待测表面时的力为表面冰黏附强度；在国内专利“一种测试覆冰或涂层结合强度的装置”(ZL200920001291.0)基于专利CN1321881A提出的“一种测量涂层结合强度的试验”方法，利用锥面容腔和堵塞的挤压和拉伸测试试件表面与冰的黏附力；专利“测量结冰的方法和装置”(国内CN1343313A)提出了试件在空气中结霜结冰量的测试方法，该方法主要以结冰厚度和质量评价表面的结霜特性。总结以上目前提出的和采用的表面冰黏附强度测试方法和装置，主要问题有：(1)装置整体性差，测量冰黏附力的时候需要外置制冷单元、外置牵引等装置等；(2)试验可重复性不好，由于无法有效控制界面结冰量、试验试件表面结冰质量，过多的附加装置(制冰、加冰容器等)的影响，因此试验重复误差大。

发明内容

针对以上现有表面冰黏附强度测试方法和装置存在的一些问题，本实用新型的目的是提出一种简便、可重复性强、适用于材料(或涂层)、表面形态的冰黏附强度测试装置。

本实用新型的上述目的通过以下技术方案实现，结合附图说明图下：

本实用新型方法首先利用定量的液态水滴定在已制冷的待测试件表面，使其自然结冰；然后利用带有力传感器的与试件平面平行滑动的滑刀切向剥离结冰；记录剥离过程中最大切向力，此值即用于表征待测表面冰黏附力。由于本实用新型方法和装置采用定量的水结冰、可控制试件表面制冷和保温温度、切向力直接作用于黏附冰表面，因此试验重复性可保证，并且结构简单，操作方便。

本实用新型所述的一种冰黏附强度测试装置的测试方法，按以下步骤进行：

步骤一，加工待测试件3，保证表面平行度；

步骤二，将加工好的待测试件3装入测试装置中固定，保证待测试件3下表面紧密接触制冷单元(2)，上表面与滑刀平台平行；

步骤三，开启制冷单元2，对待测试件3制冷到指定温度，试验温度根据测试标准确定；

步骤四，待测试件3表面温度达到测试温度时利用定量水滴定装置5定量滴定水至待测试件3上表面使其结冰，此过程中制冷单元2持续制冷保温，保证水结冰过程稳定性；

步骤五，等待测试件表面结冰后，过手动或自动推动切向推杆9带动滑刀6剥离试样表面结冰凸包4，剥离过程中，滑刀6运动平行于待测试件3，滑刀6的切入角度和与待测试件3表面间距可调节，并通过显示器8显示最大切向力，此力即用于表征材料表面或涂层的冰黏附强度。

所述制冷单元2通过自动温度控制器，精确控制待测试件3制冷温度，制冷温度在-30℃～0℃之间可调。

一种用于权利要求1所述冰黏附强度测试方法的测试装置，该装置主要由置于壳体内的样品固定架1、制冷单元2、水滴定装置5和滑刀平台组成，所述制冷单元2置于固定架1内，由安装在固定架1底部的支撑机构支撑，待测试件3置于制冷单元2之上并通过支撑机构与样品固定架1固定，定量水滴定单元5装在待测试件3的上方，所述滑刀平台包括滑刀6和切向推杆9，滑刀6固定在切向推杆9的一端，切向推杆9滑动装配在固定架1上，滑刀6通过推动切向推杆9沿待测试件3表面平行移动。

所述滑刀6剥离待测试件3表面结冰凸包4的切向力通过力传感器7和显示器8测得。

所述切向推杆9采用手动、电动或气动，进给速度可控。

所述定量水滴定装置5为一个或多个，定量水滴定装置5为固定或移动式。

所述滑刀6与待测试件3距离和攻角可调。

相对于现有的表面冰黏附(结冰)强度测试方法和手段，本实用新型公开的方法和装置不同点有：1、实验装置中的制冷机构用于对待测试件制冷和测试过程对待测样品保温，很好的避免了待测试件制冷后，在进行黏结强度的测试时，因脱离制冷环境而导致覆冰融化，对实验结果产生较大影响；2、装置中制冷机构通过自动温度控制器，精确控制待测试件制冷温度，待测试件制冷温度可从-30℃～0℃精确可调，保证了模拟实验条件与实际环境的吻合程度，测试结果对实际生产有重大指导意义；3、在实验开始前，先对待测试件进行制冷，待测试件达到预定制冷温度时，利用水滴定装置滴定定量水至待测试件表面使其在样品表面结冰，保证了水滴的结冰速度，使测试结果准确；4、装置中定量水滴定装置用于在已制冷表面滴定定量水，使其在待测试件表面形成定量体积的结冰，结冰剥离测试的数据直接反映表面与冰之间的黏附力，测试数据真实可靠，可重复性强；5、在实际测试中，测试结冰剥离(或破裂)时最大应力，此应力用于表征材料表面或涂层的冰黏附强度，不需要额外的数据处理，避免产生计算误差。

本实用新型公开的一种表面冰黏附测试方法和装置，可用于多种材料、涂层以及非光滑粗糙表面待测试件的冰黏附强度测试，为工程中材料、涂层选择及表面改性改良技术提供简单、可行有参照性的评价方法和手段。

附图说明

图1是本实用新型公开的装置一种实施例示意图。

图中：1.样品固定架(兼壳体)，2.制冷单元，3.待测试件，4.结冰凸包(利用滴定和制冷制备出的样品表面结冰)，5.定量水滴定单元，6.滑刀，7.力传感器，8.显示器，9.切向推杆。

具体实施方式

实施例1

本实用新型公开的一种冰黏附强度测试方法和装置，通过测试剥离固体表面结冰时最大切向力来表征表面冰黏附强度。与现有冰黏附(或结冰)强度测试方法不同之处：本实用新型公开的方法中模拟表面结冰过程采用先制冷试样，后滴定液态水使其在试样表面结冰；待测试(剥离)结冰是通过液态水定量滴定形成的“冰凸包”；剥离过程采用带力传感器推板推动“冰凸包”使其与待测表面剥离或冰内部破碎；由于采用先制冷待测部件，因此不用考虑定量液滴在待测试样表面上形成的结冰形态(常温时由于表面能的不同水在不同固体表面展开凸包形状不同)，无需再对测试数据进行处理。本实用新型公开方法测试时顺序如下：

(1)加工待测试样，根据测试装置以及样本固定装置尺寸进行试样加工，对试样待测表面进行处理(需保证平行度)；

(2)把试件装入测试装置中，由于浮动制冷单元的弹性挤压，试件下表面紧密接触制冷单元，上表面受固定架约束，与滑刀平台平行；

(3)开启制冷单元，对试样制冷到指定温度(可根据测试标准确定试验温度)；

(4)待试样表面温度达到测试温度时利用水滴定单元定量滴定水至试样上表面使其结冰，此过程中制冷单元持续制冷保证水结冰过程稳定性；

(5)等待完全结冰(可根据需求制定滴定水后结冰和稳定过程等待时间)，利用带力传感器的推杆带动滑刀推动“冰凸包”使其与试件表面分离或结冰内部发生破裂；

(6)记录剥离过程切向力，以最大切向力作为试件在该条件下的冰黏附强度；

(7)换材料测试时，关闭制冷单元，更换其他待测试件，重复①～⑥步骤。

实施例2

本实用新型公开装置实施方法说明。针对本实用新型公开方法测试装置具体实施方法及关键内容如下：制冷单元与机架由弹簧连接，试件放入固定架时，制冷单元下设弹簧变形受力，使其试样下表面与制冷单元紧密接触，上表面准确的嵌入固定架中保持试验位置；制冷单元的温度受自动温控器控制，根据测试要求指定温度和实现恒温；水滴定单元设在试样上表面上方，可精确控制水滴定量，为了对单一试样同时多次重复测试，也可以设置连续多个或可移动滴定装置，实现一次制冷完成多次结冰强度测试；滑刀用于剥离待测试件表面结冰，根据测试要求，滑刀刀头能控制与试样表面间距，也可以改变刀具攻角；带动滑刀的推杆靠滑动轴承固定在机架上，与试样固定架上试件上表面平行，滑刀与推杆之间设置有力传感器，可感知剥离结冰时的切向应力；根据一体化要求推杆可采用电动、气动等自动进给方式，并进一步确定进给速度等参数，完善测试标准要求；测试装置中试件固定架需进行保温处理，以防测试过程中试件内部温度不均引起的测试数据不稳定。

实施例3

本实用新型公开装置具体使用说明。本实用新型公开装置可用于材料冰黏附强度测试、涂层冰黏附强度测试、不同形态(光滑、粗糙、规则非光滑)及其相关参数表面冰黏附测试等领域，可以为工程材料选择及工程中防结冰材料、涂层、表面研究开发提供参考依据。作为对材料表面特性的测试装置，本实用新型公开冰黏附强度测试装置具体操作步骤如下：

(1)将待测试件3推入样品固定架1和制冷单元2中间，固定待测试件3。

(2)启动待测试件底部的制冷单元2，对待测试件3进行快速制冷，使其达到预定制冷温度(根据测试标准及要求，温度从-30℃～0℃可调)。

(3)利用水滴定装置5滴定定量水至待测试件3表面，制冷单元2继续恒定保温，使液态水结冰，待进行剥离试验。

(4)等待测试件表面结冰后，推杆9通过手动或自动推动带动滑刀6剥离试样表面结冰，剥离过程中记录显示器8中显示的最大切向力，此力即用于表征材料表面或涂层的冰黏附强度。

本实用新型的表面冰黏附测试方法和装置，除了可用于测试多种材料待测试件表面的冰黏附强度外，还可以用于进行各种涂层以及非光滑粗糙表面待测试件的冰黏附强度测试，在进行各种涂层以及非光滑粗糙表面待测试件的冰黏附强度测试时，需要对试样进行涂层处理或者更换非光滑粗糙表面试样，然后按照上述步骤进行测试即可。显然，根据本实用新型公开的内容及具体实施例说明，本领域的一股技术人员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实用新型的保护范围之中。

Claims (5)

1.一种冰黏附强度测试装置，其特征在于，该装置主要由置于壳体内的样品固定架(1)、制冷单元(2)、水滴定装置(5)和滑刀平台组成，所述制冷单元(2)置于固定架(1)内，由安装在固定架(1)底部的支撑机构支撑，待测试件(3)置于制冷单元(2)之上并通过支撑机构与样品固定架(1)固定，定量水滴定单元(5)装在待测试件(3)的上方，所述滑刀平台包括滑刀(6)和切向推杆(9)，滑刀(6)固定在切向推杆(9)的一端，切向推杆(9)滑动装配在固定架(1)上，滑刀(6)通过推动切向推杆(9)沿待测试件(3)表面平行移动。

2.根据权利要求1所述的一种冰黏附强度测试装置，其特征在于，所述滑刀(6)剥离待测试件(3)表面结冰凸包(4)的切向力通过力传感器(7)和显示器(8)测得。

3.根据权利要求1或2所述的一种冰黏附强度测试装置，其特征在于，所述切向推杆(9)采用手动、电动或气动，推进速度可控。

4.根据权利要求1所述的一种冰黏附强度测试装置，其特征在于，所述定量水滴定装置(5)为一个或多个，定量水滴定装置(5)为固定或移动式。

5.根据权利要求1所述的一种冰黏附强度测试装置，其特征在于，所述滑刀(6)与待测试件(3)距离和攻角可调。

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