一种冰粘附法向力测试方法及装置

摘要

本发明公开了一种冰粘附法向力测试方法及装置。包括：低温制冷环境箱(1)，喷头(2)，以及安装在低温制冷环境箱(1)内的密闭气箱(3)、待测试样(4)、紧固件(5)、密闭气箱金属多孔盖板(7)、固定夹具(8)、高敏气压传感器(9)；还包括可调控气压泵(10)、充气套筒(11)、计算机(13)；本发明填补了目前无准确测量冰粘附法向力方法和装置的空白，对航空、风力机等领域的防覆冰技术的发展具有重要的实践意义，且对学术研究也具有重要的科学意义。

说明书

技术领域

本发明涉及材料表面性能测试技术领域，尤其涉及一种高精度冰粘附法向力测试方法及装置。

背景技术

寒冷季节覆冰现象十分常见，会导致铁路、输电线、风力机、航空领域等出现大规模的结冰霜冻，不仅造成了巨大经济损失，还为民众生活造成了极大不便。因此，发展高效防除冰技术具有十分重要的社会意义。当前，基于仿生学提出的超疏水防覆冰材料，由于材料表面特殊微观结构使冰层能轻易被去除，有效地降低了综合除冰能耗，受到了研究者的广泛关注。因此，作为关键的指标之一，如何精确测量防覆冰材料表面的冰粘附性能，对防除冰技术的发展具有重要的科学意义。

目前尚未有一种高精度冰粘附法向力测试装置及相应的方法，因此，建立高精度冰粘附法向力测试方法迫在眉睫。

发明内容

本发明的目的在于提供了一种高精度，稳定性好，操作简便的冰粘附法向力测试装置及方法，以填补目前无准确测量冰粘附法向力方法和装置的空白，为防除冰技术的飞速发展提供了宝贵评价体系。

为解决上述技术问题，本发明的技术方案如下：

一种冰粘附法向力测试装置，包括：低温制冷环境箱(1)，喷头(2)，以及安装在低温制冷环境箱(1)内的密闭气箱(3)、待测试样(4)、紧固件(5)、密闭气箱金属多孔盖板(7)、固定夹具(8)、高敏气压传感器(9)；还包括可调控气压泵(10)、充气套筒(11)、计算机(13)；所述的喷头(2)安装于低温制冷环境箱顶层，用于向待测试样(4)表面喷射过冷蒸馏，所述的密闭气箱的顶层是可替换不同规格的密闭气箱金属多孔顶盖，密闭气箱(3)的一侧开孔连接充气套筒(11)，由可调控气压泵(10)通过所述充气套筒(11)向密闭气箱(3)内充气；密闭气箱(3)除顶部的密闭气箱金属多孔顶盖外其余部位保持气密，密闭气箱内壁装有高敏气压传感器(9)并连接至计算机上，实时向计算机传输数据；所述的待测试样(4)具有与密闭气箱金属多孔顶盖完全对应的多孔形状特征；所述固定夹具(8)用于将待测试样固定于密闭气箱金属多孔顶盖上。

所述的冰粘附法向力测试装置，喷头(2)的喷射速度为0.5m/s～15m/s可调，喷射用的蒸馏水为低于0℃的过冷水。

所述的冰粘附法向力测试装置，所述低温制冷环境箱(1)温度变化范围为0℃～-50℃。

所述的冰粘附法向力测试装置，还包括可调控支台(12)，将可调控气压泵(10)固定在可调控支台(12)上面，调整其高度。

所述的冰粘附法向力测试装置，密闭气箱金属多孔顶盖7尺寸为20mm×20mm～60mm×60mm，均匀开孔，且孔的直径为1mm，密度为25/100mm²；厚度范围为0.5mm～1mm。

所述的冰粘附法向力测试装置，所述的高敏气压传感器(11)与密闭气箱(3)通过螺钉紧密连接在一起。

根据任一冰粘附法向力测试装置的测试方法，包括以下步骤：

1)将具有多孔形状特征的待测试样置于密闭气箱金属多孔盖板上，保持待测试样与多孔金属盖板对齐，以确保孔隙位置完全重合；

2)设置低温制冷环境箱温度，关闭低温制冷环境箱的门，用喷头向试样表面喷射过冷水汽，并观察水汽在待测试样表面的结冰过程，直至完全形成冰柱，关闭喷头阀门；

3)打开充气套筒阀门，利用气压泵匀速向密闭气箱中充气，直至冰脱离待测试样表面，计算机记录冰脱离待测试样表面时的气压大小，随后关闭气压泵停止充气；

4)计算得出待测试样表面冰粘附的法向力值。

根据权利要求7所述的测试方法，其特征在于：所述步骤4)，根据如下公式：

式中，τ为冰粘附法向力；P为计算机记录冰脱离待测试样表面时所需的气压大小；S1为试样与冰接触面上孔隙的总面积大小；S2为试样与冰接触面上除了孔隙剩余的面积大小；计算得出待测试样表面冰粘附的法向力值。

所述的测试方法，所述步骤2)的喷头向试样表面喷射过冷水汽，确保过冷水汽结冰在试样表面且覆盖住待测试样的孔隙，但不能够覆盖至待测试样边缘的固定夹具。

所述的测试方法，所述步骤2)的所述冰柱的冰型为明冰、霜冰、混合冰，且冰柱的厚度为1mm～2mm。

本发明提出的一种高精度冰粘附法向力测试方法及装置具有以下特点：

1)精度高，可控性优良，本发明的方法通用性好，可以根据需求调整尺寸，满足相应测试需求。

2)稳定性好，操作简便，方便维护，可重复性好，具有较高的应用价值。

3)对航空、风力机等领域的防覆冰技术的发展具有重要的实践意义，且对学术研究也具有重要的科学意义。

附图说明

图1为本发明的整体结构示意图；

图2为本发明测试模块和充气模块三维立体示意图；

图3为本发明测试方法的流程图。

1.低温制冷环境箱；2.喷头；3.密闭气箱；4.待测试样；5.螺钉(紧固件)；6.冰柱；7.密闭气箱金属多孔顶盖；8.固定夹具；9.高敏气压传感器；10.可调控气压泵；11.充气套筒；12.可调控支台；13.计算机。

具体实施方式

以下结合具体实施例，对本发明进行详细说明。

实施例1

本发明提出的一种高精度冰粘附法向力测试方法如下：

第一步，以铝合金为基体材料，加工出与密闭气箱金属多孔盖板7相应的多孔结构，大小30mm×30mm×2mm，孔隙直径为1mm的圆形孔，依次采用1～6号金相砂纸打磨基体材料表面，直至肉眼观察下没有划痕位置，然后将其机械抛光直至在金相显微镜下没有明显划痕，随后分别用乙醇，蒸馏水超声波清洗10min，烘干备用。

第二步，将密闭气箱的高敏气压传感器9打开，盖上密封圈和密闭气箱金属多孔盖板7，并用紧固螺钉拧紧，将铝合金试样置于密闭气箱金属多孔盖板中央，使其孔隙与密闭气箱金属多孔盖板孔隙重合，将固定夹具8压在待测试样4表面，并用螺钉紧固。设置低温制冷环境箱温度为-30℃，打开喷头阀门，调控喷射速度为1m/s，直至冰柱形成后，停止喷射过冷水汽。

第三步，打开充气套筒11阀门，与此同时发送数字信号指令，使气压泵匀速充气至密闭气箱3中，与此同时，观测计算机上气压传感器采集到的气压数据值随时间变化的动态图像，直至气压值陡然下降，也就是冰在竖直向上的气体压力作用下脱离待测试样4表面，关闭设备，将脱离时的气压峰值数据记入表中，并通过待测试样孔隙总表面积，和冰在试样表面的实际覆盖面积，计算冰粘附法向力τ的大小约为952kPa。

实施例2

本发明提出的一种高精度冰粘附法向力测试方法如下：

第一步，以Ti6Al4V钛合金为基体材料，加工出与密闭气箱金属多孔盖板相应的多孔结构，大小60mm×60mm×2mm，孔隙直径为1mm的圆形孔，依次采用1～6号金相砂纸打磨基体材料表面，直至肉眼观察下没有划痕位置，然后将其机械抛光直至在金相显微镜下没有明显划痕，随后分别用乙醇，蒸馏水超声波清洗10min，烘干备用。

第二步，将密闭气箱的高敏气压传感器打开，盖上密封圈和密闭气箱金属多孔盖板，并用紧固螺钉拧紧，将铝合金试样置于密闭气箱金属多孔盖板中央，使其孔隙与密闭气箱金属多孔盖板孔隙重合，将固定夹具压在试样表面，并用螺钉紧固。设置低温制冷环境箱温度为-20℃，打开喷头阀门，调控喷射速度为5m/s，直至冰柱形成后，停止喷射过冷水汽。

第三步，打开充气套筒11阀门，与此同时发送数字信号指令，使气压泵匀速充气至密闭气箱3中，与此同时，观测计算机上气压传感器采集到的气压数据值随时间变化的动态图像，直至气压值陡然下降，也就是冰在竖直向上的气体压力作用下脱离待测试样4表面，关闭设备，将脱离时的气压峰值数据记入表中，并通过待测试样孔隙总表面积，和冰在试样表面的实际覆盖面积，计算冰粘附法向力τ的大小约为768kPa。

实施例3

本发明提出的一种高精度冰粘附法向力测试方法如下：

第一步，以镁合金为基体材料，加工出与密闭气箱金属多孔盖板相应的多孔结构，大小30mm×30mm×2mm，孔隙直径为1mm的圆形孔，依次采用1～6号金相砂纸打磨基体材料表面，直至肉眼观察下没有划痕位置，然后将其机械抛光直至在金相显微镜下没有明显划痕，随后分别用乙醇，蒸馏水超声波清洗10min，烘干备用。

第二步，将密闭气箱的高敏气压传感器打开，盖上密封圈和密闭气箱金属多孔盖板，并用紧固螺钉拧紧，将铝合金试样置于密闭气箱金属多孔盖板中央，使其孔隙与密闭气箱金属多孔盖板孔隙重合，将固定夹具压在试样表面，并用螺钉紧固。设置低温制冷环境箱温度为-10℃，打开喷头阀门，调控喷射速度为5m/s，直至冰柱形成后，停止喷射过冷水汽。

第三步，打开充气套筒11阀门，与此同时发送数字信号指令，使气压泵匀速充气至密闭气箱3中，与此同时，观测计算机上气压传感器采集到的气压数据值随时间变化的动态图像，直至气压值陡然下降，也就是冰在竖直向上的气体压力作用下脱离待测试样4表面，关闭设备，将脱离时的气压峰值数据记入表中，并通过待测试样孔隙总表面积，和冰在试样表面的实际覆盖面积，计算冰粘附法向力τ的大小约为709kPa。

实施例4

本发明提出的一种高精度冰粘附法向力测试方法如下：

第一步，以疏水聚合物PDMS为基体材料，加工出与密闭气箱金属多孔盖板相应的多孔结构，大小30mm×30mm×2mm，孔隙直径为1mm的圆形孔，依次采用1～6号金相砂纸打磨基体材料表面，直至肉眼观察下没有划痕位置，然后将其机械抛光直至在金相显微镜下没有明显划痕，随后分别用乙醇，蒸馏水超声波清洗10min，烘干备用。

第二步，将密闭气箱的高敏气压传感器打开，盖上密封圈和密闭气箱金属多孔盖板，并用紧固螺钉拧紧，将铝合金试样置于密闭气箱金属多孔盖板中央，使其孔隙与密闭气箱金属多孔盖板孔隙重合，将固定夹具压在试样表面，并用螺钉紧固。设置低温制冷环境箱温度为-30℃，打开喷头阀门，调控喷射速度为5m/s，直至冰柱形成后，停止喷射过冷水汽。

第三步，打开充气套筒11阀门，与此同时发送数字信号指令，使气压泵匀速充气至密闭气箱3中，与此同时，观测计算机上气压传感器采集到的气压数据值随时间变化的动态图像，直至气压值陡然下降，也就是冰在竖直向上的气体压力作用下脱离待测试样4表面，关闭设备，将脱离时的气压峰值数据记入表中，并通过待测试样孔隙总表面积，和冰在试样表面的实际覆盖面积，计算冰粘附法向力τ的大小约为236kPa。

应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。