材料表面覆冰粘附强度测量系统及方法

摘要

本发明公开了属于覆冰测量领域一种材料表面覆冰粘附强度测量系统及方法。该系统包括施力砝码、拉力计、冻冰模具、固定装置、牵引绳、定滑轮和计算机。冻冰模具和待测样品通过覆冰连接在一起，待测样品由固定装置固定，牵引绳一端经拉力计与冻冰模具相连，另一端经过定滑轮和施力砝码相连，拉力计的数据输出端通过数据传输线和计算机相连。本发明公开的材料表面覆冰粘附力测量系统结构简单、方法易操作，适用于工厂、实验室等单位对不同材料表面覆冰粘附力的测量分析。

说明书

技术领域

本发明属于覆冰测量领域，具体涉及一种材料表面覆冰粘附强度测量系统 及方法。

背景技术

覆冰是一种美妙的自然景观，但对于长期裸露于室外大气条件下的材料来 说却是一种灾难，如架空输电线路、飞机机翼、通讯铁塔等材料表面覆冰后将 导致机械负荷增加，引起输电线路断线或倒塔等、飞机负荷超重或负荷不均等、 通讯铁塔倒塌或变形等安全事故的发生。采用新型涂层来抑制和减小材料表面 覆冰的粘附强度，将有利于抑制和缓解材料表面覆冰的形成和增长，同时也有 利于材料表面除冰脱冰工作的开展，由此也成为电力、通讯、航空等行业防冰 除冰主要选择措施之一。在选择和应用涂层防冰过程中，对涂层表面的覆冰粘 附强度进行测试分析，优选覆冰粘附强度较小的涂层材料将更有利于材料表面 防冰除冰工作的开展。

为了测试不同材料表面的覆冰粘附强度，国内外研究人员设计并制备了不 同的覆冰粘附力测量系统，如离心力法覆冰粘附强度测量系统、圆柱推拉法覆 冰粘附强度测量装置、弯曲折断法覆冰粘附强度测量装置等。但是这些测量系 统均存在结构复杂、测试样品结构单一、加力系统需较高的线性度、操作复杂 等方面的缺点，为此这些已有的覆冰粘附强度测试设备并不利于材料表面覆冰 粘附强度研究和测试工作的开展。

发明内容

针对上述现有覆冰粘附强度测量系统的不足，本发明提供了一种小型、便 携式材料表面覆冰粘附强度测量系统，特别是针对金属导线涂层表面覆冰粘附 强度的测量系统，该系统结构简单、操作方便，可实现对不同形状材料表面覆 冰粘附强度进行测量。

一种材料表面覆冰粘附强度测量系统，该系统包括施力砝码、拉力计、冻 冰模具、固定装置、牵引绳、定滑轮和计算机；

在进行覆冰粘附强度测量时，其连接关系为：

冻冰模具和待测样品通过覆冰连接在一起，待测样品由固定装置固定，牵 引绳一端经拉力计与冻冰模具相连，另一端绕过定滑轮和施力砝码相连，拉力 计的数据输出端通过数据传输线经拉力检测仪表和计算机相连。

所述冻冰模具通常为开口容器，一般由不锈钢材质制成，所述开口容器可 以是无底的两端开口的容器，也可以为一端开口，另一端有底的容器，在其底 部可以设置注水入口。如图2所示，开口容器的截面形状包括正方形、长方形、 圆形、弧形、弯月形等，典型冻冰模具有2cm×2cm、2cm×3cm、3cm×4cm、Φ2cm、 Φ3cm、Φ4cm、Φ5cm等规格。测量导线的冻冰模具为一端开口为拱形凹槽的容 器(图2(f))，有3.14cm×2cm、1.57cm×2cm等规格，其中，3.14cm和1.57cm 指拱形的弧长，2cm指凹槽的长度。

所述施力砝码是由大量质量不同的标准砝码组成，所述测试用标准砝码包 括重量分别为5g、10g、20g、50g、100g、200g、300g、500g、1000g等的标准 砝码，用来实现49mN、98mN、196mN、490mN、980mN、1.96N、2.94N、 4.9N、9.8N等外力的作用，通过不同组合方式实现线性拉力增加。

所述拉力计为数显式拉力计，其量程可以为50N、200N或1000N等。

所述固定装置可选用由调节卡槽和固定卡具组成的钳口状固定装置，钳口 间距可自由调节，以实现对不同长度待测样品的固定。

所述的牵引绳为弹性较小的绳，如钢丝、钢绳、棉线、麻绳等，所述定滑 轮的直径可以为Φ10cm、Φ20cm或Φ30cm等尺寸。

上述测量系统进行覆冰粘附强度测量的方法为：

(1)用冻冰模具在待测样品表面进行覆冰，使冻冰模具与待测样品冻结在一 起。

(2)将与冻冰模具冻结在一起的待测样品通过固定装置固定好，而后利用牵 引绳将冻冰模具经拉力计和定滑轮与施力砝码相连，并将拉力计的数据输出端 通过数据传输线经拉力测量仪表与计算机相连。

(3)在计算机中输入冻冰模具与待测样品的接触面积，并对冻冰模具所承受 的单位面积拉力进行监测，拉力计输出信号经拉力检测仪表将施力砝码侧施加 的拉力实时送往计算机进行存储记录，逐渐增加砝码的质量直至冻冰模具与待 测样品表面间发生脱落，记录施力砝码的总重量并从计算机上读取待测样品的 覆冰粘附强度。

本发明的有益效果是设计了一种结构简单、易操作的材料表面覆冰粘附力 测量系统，适用于工厂、实验室等单位对不同材料表面覆冰粘附力的测量分析， 通过采用不同重量标准砝码实现了线性拉力增长的效果，通过调整冻冰模具的 大小实现了测量精度的提高。

附图说明

图1覆冰粘附强度测试系统结构图；

图2覆冰粘附强度测试用的冻冰模具，a截面为长方形的冻冰模具，b截面 为正方形的冻冰模具，c截面为圆形的冻冰模具，d截面为半圆形的冻冰模具， e截面为弯月形的冻冰模具，f开口为拱形凹槽的冻冰模具；

图3实施例1中所用的冻冰模具；

图4实施例2中所用的冻冰模具；

图中标号：1定滑轮，2施力砝码，3调节卡槽，4固定卡具，5冻冰模具， 5-1拉环，5-2注水入口，6待测样品，7拉力计，8拉力测量仪表，9计算机，10 牵引绳。

具体实施方式

下面的实施例可以使本专业技术人员更全面的理解本发明，但不以任何方 式限制本发明。

实施例1

如图1所示，材料表面覆冰粘附强度测量系统由定滑轮1，施力砝码2，调 节卡槽3，固定卡具4，冻冰模具5，牵引绳10，拉力计7，拉力测量仪表8和 计算机9组成。

所述冻冰模具5是由不锈钢材质制备成的开口容器，开口容器的截面形状 为长方形，规格为2cm×3cm，开口容器底部中心设置有拉环5-1，可通过牵引绳 10与拉力计7相连，底部还设置有注水入口5-2(如图3)。

待测样品6是长宽分别为4cm、3cm的长方形铝板。

调节卡槽3和固定卡具4组成固定装置，调节卡槽3由两支架组成，两支 架安装在固定卡具4上，呈钳口状，且钳口间距可调节，用以固定待测样品。

所述牵引绳10为钢丝。

所述施力砝码2是由大量质量不同的标准砝码组成，所述测试用标准砝码 包括重量分别为5g、10g、20g、50g、100g、200g、300g、500g、1000g的标准 砝码。

所述拉力计7是量程为1000N的数显式拉力计。

进行覆冰粘附强度测量的方法为：

1、首先利用冻冰模具5在待测样品6表面进行覆冰：使冻冰模具5开口朝 下并置于待测样品6上面，放于人工气候箱中，人工气候箱的温度设置为-6℃， 冷却30min，使冻冰模具5、待测样品6温度达到与气候箱温度一致，而后通过 注水入口5-2往冻冰模具5中注入少量的水，以形成1～2mm厚的水膜，待水膜 冻结30min使冻冰模具5和待测样品6之间密封接触后，再通过注水入口5-2 往冻冰模具5中注满水，并冻结2h。

2、将与冻冰模具5冻结好的待测样品6移入固定装置中，并调整调节卡槽 3使待测样品6固定好且冻冰模具5表面不与调节卡槽3发生摩擦。而后利用钢 丝将冻冰模具5经拉力计7和定滑轮1与施力砝码2相连，同时将拉力计7的 数据输出端通过数据传输线经拉力检测仪表8与计算机9相连。

除拉力测量仪表8和计算机9外，其它装置都处于人工气候箱中。

3、打开拉力检测仪表8和计算机9，并在计算机9中输入冻冰模具5与待 测样品6的接触面积(面积为6cm²)，并开始对冻冰模具5所承受的单位面积拉 力进行监测。小心并均匀增加砝码2的质量直至冻冰模具5与待测样品6表面 间发生脱落，记录砝码2的总重量并从计算机9上读取待测样品6的覆冰粘附 强度。

实施例2

材料表面覆冰粘附强度测量系统由定滑轮1，施力砝码2，调节卡槽3，固 定卡具4，冻冰模具5，拉力计7，牵引绳10，拉力测量仪表8和计算机9组成。

所述冻冰模具5是由不锈钢材质制备成的开口容器，开口容器的截面形状 为圆形，规格为Φ3cm，即截面的直径为3cm。所述开口容器为无底的两端开口 的容器，容器侧面可与牵引绳10相连(如图4)。

待测样品6是直径为4cm的圆形环氧板。

调节卡槽3和固定卡具4组成固定装置，调节卡槽3由两支架组成，两支 架安装在固定卡具4上，呈钳口状，且钳口间距可调节，用以固定待测样品6。

所述牵引绳10为棉线。

所述施力砝码2是由大量质量不同的标准砝码组成，所述测试用标准砝码 包括重量分别为5g、10g、20g、50g、100g、200g、300g、500g、1000g的标准 砝码。

所述拉力计7是量程为1000N的数显式拉力计。

进行覆冰粘附强度测量的方法为：

1、首先利用冻冰模具5在待测样品6表面进行覆冰：将冻冰模具5置于待 测样品6上面，并放于人工气候箱中，人工气候箱的温度设置为-6℃，冷却30min， 使冻冰模具5、待测样品6温度达到与气候箱温度一致，而后往冻冰模具5中注 入少量的水，以形成1～2mm厚的水膜，待水膜冻结30min使冻冰模具5和待测 样品6之间密封接触后，再往冻冰模具5中注满水，并冻结2h。

2、将与冻冰模具5冻结好的待测样品6移入固定装置中，并调整调节卡槽 3使待测样品6固定好且冻冰模具5表面不与调节卡槽3发生摩擦。而后利用棉 线将冻冰模具5与拉力计7相连，并经定滑轮1后与施力砝码2相连，同时将 拉力计7的数据输出端通过数据传输线经拉力检测仪表8与计算机9相连。

除拉力测量仪表8和计算机9外，其它装置都处于人工气候箱中。

3、打开拉力检测仪表8和计算机9，并在计算机9中输入冻冰模具5与待 测样品6的接触面积(面积约为7cm²)，并开始对冻冰模具5所承受的单位面积 拉力进行监测。小心并均匀增加砝码2的质量直至冻冰模具5与待测样品6表 面间发生脱落，记录砝码2的总重量并从计算机9上读取待测样品6的覆冰粘 附强度。

实施例3

材料表面覆冰粘附强度测量系统由定滑轮1，施力砝码2，调节卡槽3，固 定卡具4，冻冰模具5，牵引绳10，拉力计7，拉力测量仪表8和计算机9组成。

待测样品6为铝导线，长度为10cm，导线截面半径为2cm。

冻冰模具5为两端开口的容器，且一端开口形状为拱形凹槽(如图2(f))， 本实施例中，所述拱形为1/4圆形，半径为2cm，凹槽的长度为2cm，即冻冰模 具的规格为3.14cm×2cm。冻冰模具5的侧面可与牵引绳10相连。

调节卡槽3和固定卡具4组成固定装置，调节卡槽3由两支架组成，两支 架安装在固定卡具4上，呈钳口状，且钳口间距可调节，用以固定待测样品6。

所述牵引绳10为钢丝。

所述施力砝码2是由大量质量不同的标准砝码组成，所述测试用标准砝码 包括重量分别为5g、10g、20g、50g、100g、200g、300g、500g、1000g的标准 砝码。

所述拉力计7是量程为1000N的数显式拉力计。

进行覆冰粘附强度测量的方法为：

1、利用冻冰模具5在铝导线表面进行覆冰：铝导线和冻冰模具5放于人工 气候箱中，将冻冰模具5放置于铝导线上面，并使铝导线嵌入冻冰模具5的拱 形凹槽中，人工气候箱的温度设置为-6℃，冷却30min，使冻冰模具5、铝导线 温度达到与气候箱温度一致，而后往冻冰模具5中注入少量的水，以形成1～2mm 厚的水膜，待水膜冻结30min使冻冰模具5和铝导线之间密封接触后，再往冻 冰模具5注满水，并冻结2h。

2、将与冻冰模具5冻结好的铝导线移入固定装置中，并调整调节卡槽3使 铝导线固定好且冻冰模具5表面不与调节卡槽3发生摩擦。而后利用钢丝将冻 冰模具5经拉力计7和定滑轮1与施力砝码2相连，同时将拉力计7的数据输 出端通过数据传输线经拉力检测仪表8与计算机9相连。

除拉力测量仪表8和计算机9外，其它装置都处于人工气候箱中。

3、打开拉力检测仪表8和计算机9，并在计算机9中输入冻冰模具5与铝 导线的接触面积(面积为：(2π×2cm/4)×2cm＝6.3cm²)，并开始对冻冰模具5所 承受的单位面积拉力进行监测。小心并均匀增加砝码2的质量直至冻冰模具5 与铝导线表面发生脱落，记录砝码2的总重量并从计算机9上读取铝导线的覆 冰粘附强度。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局 限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易 想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护 范围应该以权利要求的保护范围为准。