專利名稱：一種冰黏附強(qiáng)度測試裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及一種測試材料(涂層)表面冰黏附強(qiáng)度的方法及配套測試裝置。 這種測量裝置能用于評價(jià)不同材料、涂層以及表面形態(tài)(光滑、粗糙或規(guī)則非光滑)的防結(jié)霜結(jié)冰能力，對于設(shè)計(jì)低溫高濕環(huán)境下的工作部件的設(shè)計(jì)加工具有參考意義。
背景技術(shù)：
表面結(jié)霜結(jié)冰是低溫環(huán)境下由于水分的存在而產(chǎn)生的一種特殊的黏附現(xiàn)象，冬季電力輸變電設(shè)施上的覆冰、汽車玻璃結(jié)霜、建筑幕墻上的積雪結(jié)霜、通訊設(shè)備(如衛(wèi)星天線)表面的積雪、高空飛行的飛機(jī)機(jī)翼上的結(jié)冰、制冷設(shè)備制冷表面的結(jié)霜等都是典型的表面結(jié)冰黏附問題。作為一種客觀自然現(xiàn)象，冰黏附現(xiàn)象對人類生產(chǎn)、生活活動的影響從未停止，并且隨著社會、科技發(fā)展和人類對生產(chǎn)效率、可靠性、安全性要求的不斷提高而提高， 冰黏附現(xiàn)象引起的各種隱患和危害逐漸被關(guān)注。目前針對部件表面的冰黏附問題研究主要以熱溶解、防凍液膜、機(jī)械(或氣動)鏟除等被動式方法和通過部件表面特性改良改性實(shí)現(xiàn)防結(jié)冰技術(shù)研究為主。其中表面改性改良方法作為主動式防范技術(shù)受到關(guān)注。評價(jià)部件表面的冰黏附特點(diǎn)及強(qiáng)度是研究防結(jié)冰理論及技術(shù)研究的基礎(chǔ)。有效、合理、快捷的評價(jià)材料 (或涂層)、或不同表面形態(tài)(光滑、粗糙、規(guī)則非光滑)的冰黏附特性是分析材料(或涂層)和表面形態(tài)冰黏附特性，研發(fā)防冰黏附表面技術(shù)的參考依據(jù)。目前國內(nèi)外有關(guān)表面結(jié)冰強(qiáng)度測試方法主要有美國寒冷地區(qū)研究與工程實(shí)驗(yàn)室ASTMD3528-96Q0(^)測試標(biāo)準(zhǔn)，該標(biāo)準(zhǔn)基于黏附劑黏附強(qiáng)度測試方法，設(shè)計(jì)了雙試件搭接切向力測試方法，用于評價(jià)材料表面與冰的黏附強(qiáng)度；美國陸軍工兵部隊(duì)和寒冷地區(qū)研究工程實(shí)驗(yàn)室提出的和目前國內(nèi)外普遍采用的空芯圓桶制冰后測量剪切和法向剝離強(qiáng)度，該方法以空芯圓桶在試樣表面倒置制冰，利用法向和切向的推力剝離空芯杯中的冰和待測表面時(shí)的力為表面冰黏附強(qiáng)度；在國內(nèi)專利“一種測試覆冰或涂層結(jié)合強(qiáng)度的裝置”(ZL20092000U91. 0)基于專利CN1321881A提出的“一種測量涂層結(jié)合強(qiáng)度的試驗(yàn)”方法，利用錐面容腔和堵塞的擠壓和拉伸測試試件表面與冰的黏附力；專利“測量結(jié)冰的方法和裝置”(國內(nèi)CN1343313A)提出了試件在空氣中結(jié)霜結(jié)冰量的測試方法，該方法主要以結(jié)冰厚度和質(zhì)量評價(jià)表面的結(jié)霜特性?？偨Y(jié)以上目前提出的和采用的表面冰黏附強(qiáng)度測試方法和裝置，主要問題有(1)裝置整體性差，測量冰黏附力的時(shí)候需要外置制冷單元、外置牽引等裝置等；(2)試驗(yàn)可重復(fù)性不好，由于無法有效控制界面結(jié)冰量、試驗(yàn)試件表面結(jié)冰質(zhì)量，過多的附加裝置(制冰、加冰容器等)的影響，因此試驗(yàn)重復(fù)誤差大。
發(fā)明內(nèi)容針對以上現(xiàn)有表面冰黏附強(qiáng)度測試方法和裝置存在的一些問題，本實(shí)用新型的目的是提出一種簡便、可重復(fù)性強(qiáng)、適用于材料(或涂層)、表面形態(tài)的冰黏附強(qiáng)度測試裝置。本實(shí)用新型的上述目的通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)，結(jié)合附圖說明圖下本實(shí)用新型方法首先利用定量的液態(tài)水滴定在已制冷的待測試件表面，使其自然
3結(jié)冰；然后利用帶有力傳感器的與試件平面平行滑動的滑刀切向剝離結(jié)冰；記錄剝離過程中最大切向力，此值即用于表征待測表面冰黏附力。由于本實(shí)用新型方法和裝置采用定量的水結(jié)冰、可控制試件表面制冷和保溫溫度、切向力直接作用于黏附冰表面，因此試驗(yàn)重復(fù)性可保證，并且結(jié)構(gòu)簡單，操作方便。本實(shí)用新型所述的一種冰黏附強(qiáng)度測試裝置的測試方法，按以下步驟進(jìn)行步驟一，加工待測試件3，保證表面平行度；步驟二，將加工好的待測試件3裝入測試裝置中固定，保證待測試件3下表面緊密接觸制冷單元O)，上表面與滑刀平臺平行；步驟三，開啟制冷單元2，對待測試件3制冷到指定溫度，試驗(yàn)溫度根據(jù)測試標(biāo)準(zhǔn)確定；步驟四，待測試件3表面溫度達(dá)到測試溫度時(shí)利用定量水滴定裝置5定量滴定水至待測試件3上表面使其結(jié)冰，此過程中制冷單元2持續(xù)制冷保溫，保證水結(jié)冰過程穩(wěn)定性；步驟五，等待測試件表面結(jié)冰后，過手動或自動推動切向推桿9帶動滑刀6剝離試樣表面結(jié)冰凸包4，剝離過程中，滑刀6運(yùn)動平行于待測試件3，滑刀6的切入角度和與待測試件3表面間距可調(diào)節(jié)，并通過顯示器8顯示最大切向力，此力即用于表征材料表面或涂層的冰黏附強(qiáng)度。所述制冷單元2通過自動溫度控制器，精確控制待測試件3制冷溫度，制冷溫度在-30°C 0°C之間可調(diào)。一種用于權(quán)利要求1所述冰黏附強(qiáng)度測試方法的測試裝置，該裝置主要由置于殼體內(nèi)的樣品固定架1、制冷單元2、水滴定裝置5和滑刀平臺組成，所述制冷單元2置于固定架1內(nèi)，由安裝在固定架1底部的支撐機(jī)構(gòu)支撐，待測試件3置于制冷單元2之上并通過支撐機(jī)構(gòu)與樣品固定架1固定，定量水滴定單元5裝在待測試件3的上方，所述滑刀平臺包括滑刀6和切向推桿9，滑刀6固定在切向推桿9的一端，切向推桿9滑動裝配在固定架1上， 滑刀6通過推動切向推桿9沿待測試件3表面平行移動。所述滑刀6剝離待測試件3表面結(jié)冰凸包4的切向力通過力傳感器7和顯示器8 測得。所述切向推桿9采用手動、電動或氣動，進(jìn)給速度可控。所述定量水滴定裝置5為一個(gè)或多個(gè)，定量水滴定裝置5為固定或移動式。所述滑刀6與待測試件3距離和攻角可調(diào)。相對于現(xiàn)有的表面冰黏附(結(jié)冰)強(qiáng)度測試方法和手段，本實(shí)用新型公開的方法和裝置不同點(diǎn)有1、實(shí)驗(yàn)裝置中的制冷機(jī)構(gòu)用于對待測試件制冷和測試過程對待測樣品保溫，很好的避免了待測試件制冷后，在進(jìn)行黏結(jié)強(qiáng)度的測試時(shí)，因脫離制冷環(huán)境而導(dǎo)致覆冰融化，對實(shí)驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生較大影響；2、裝置中制冷機(jī)構(gòu)通過自動溫度控制器，精確控制待測試件制冷溫度，待測試件制冷溫度可從-30°C 0°C精確可調(diào)，保證了模擬實(shí)驗(yàn)條件與實(shí)際環(huán)境的吻合程度，測試結(jié)果對實(shí)際生產(chǎn)有重大指導(dǎo)意義；3、在實(shí)驗(yàn)開始前，先對待測試件進(jìn)行制冷，待測試件達(dá)到預(yù)定制冷溫度時(shí)，利用水滴定裝置滴定定量水至待測試件表面使其在樣品表面結(jié)冰，保證了水滴的結(jié)冰速度，使測試結(jié)果準(zhǔn)確；4、裝置中定量水滴定裝置用于在已制冷表面滴定定量水，使其在待測試件表面形成定量體積的結(jié)冰，結(jié)冰剝離測試的數(shù)據(jù)直接反映表面與冰之間的黏附力，測試數(shù)據(jù)真實(shí)可靠，可重復(fù)性強(qiáng)；5、在實(shí)際測試中，測試結(jié)冰剝離(或破裂)時(shí)最大應(yīng)力，此應(yīng)力用于表征材料表面或涂層的冰黏附強(qiáng)度，不需要額外的數(shù)據(jù)處理，避免產(chǎn)生計(jì)算誤差。本實(shí)用新型公開的一種表面冰黏附測試方法和裝置，可用于多種材料、涂層以及非光滑粗糙表面待測試件的冰黏附強(qiáng)度測試，為工程中材料、涂層選擇及表面改性改良技術(shù)提供簡單、可行有參照性的評價(jià)方法和手段。

圖1是本實(shí)用新型公開的裝置一種實(shí)施例示意圖。圖中1.樣品固定架(兼殼體)，2.制冷單元，3.待測試件，4.結(jié)冰凸包(利用滴定和制冷制備出的樣品表面結(jié)冰)，5.定量水滴定單元，6.滑刀，7.力傳感器，8.顯示器， 9.切向推桿。
具體實(shí)施方式
實(shí)施例1本實(shí)用新型公開的一種冰黏附強(qiáng)度測試方法和裝置，通過測試剝離固體表面結(jié)冰時(shí)最大切向力來表征表面冰黏附強(qiáng)度。與現(xiàn)有冰黏附(或結(jié)冰)強(qiáng)度測試方法不同之處: 本實(shí)用新型公開的方法中模擬表面結(jié)冰過程采用先制冷試樣，后滴定液態(tài)水使其在試樣表面結(jié)冰；待測試(剝離)結(jié)冰是通過液態(tài)水定量滴定形成的“冰凸包”；剝離過程采用帶力傳感器推板推動“冰凸包”使其與待測表面剝離或冰內(nèi)部破碎；由于采用先制冷待測部件， 因此不用考慮定量液滴在待測試樣表面上形成的結(jié)冰形態(tài)(常溫時(shí)由于表面能的不同水在不同固體表面展開凸包形狀不同)，無需再對測試數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。本實(shí)用新型公開方法測試時(shí)順序如下(1)加工待測試樣，根據(jù)測試裝置以及樣本固定裝置尺寸進(jìn)行試樣加工，對試樣待測表面進(jìn)行處理(需保證平行度)；(2)把試件裝入測試裝置中，由于浮動制冷單元的彈性擠壓，試件下表面緊密接觸制冷單元，上表面受固定架約束，與滑刀平臺平行；(3)開啟制冷單元，對試樣制冷到指定溫度(可根據(jù)測試標(biāo)準(zhǔn)確定試驗(yàn)溫度)；(4)待試樣表面溫度達(dá)到測試溫度時(shí)利用水滴定單元定量滴定水至試樣上表面使其結(jié)冰，此過程中制冷單元持續(xù)制冷保證水結(jié)冰過程穩(wěn)定性；(5)等待完全結(jié)冰(可根據(jù)需求制定滴定水后結(jié)冰和穩(wěn)定過程等待時(shí)間)，利用帶力傳感器的推桿帶動滑刀推動“冰凸包”使其與試件表面分離或結(jié)冰內(nèi)部發(fā)生破裂；(6)記錄剝離過程切向力，以最大切向力作為試件在該條件下的冰黏附強(qiáng)度；(7)換材料測試時(shí)，關(guān)閉制冷單元，更換其他待測試件，重復(fù)① ⑥步驟。實(shí)施例2本實(shí)用新型公開裝置實(shí)施方法說明。針對本實(shí)用新型公開方法測試裝置具體實(shí)施方法及關(guān)鍵內(nèi)容如下制冷單元與機(jī)架由彈簧連接，試件放入固定架時(shí)，制冷單元下設(shè)彈簧變形受力，使其試樣下表面與制冷單元緊密接觸，上表面準(zhǔn)確的嵌入固定架中保持試驗(yàn)位置；制冷單元的溫度受自動溫控器控制，根據(jù)測試要求指定溫度和實(shí)現(xiàn)恒溫；水滴定單元設(shè)在試樣上表面上方，可精確控制水滴定量，為了對單一試樣同時(shí)多次重復(fù)測試，也可以設(shè)置連續(xù)多個(gè)或可移動滴定裝置，實(shí)現(xiàn)一次制冷完成多次結(jié)冰強(qiáng)度測試；滑刀用于剝離待測試件表面結(jié)冰，根據(jù)測試要求，滑刀刀頭能控制與試樣表面間距，也可以改變刀具攻角；帶動滑刀的推桿靠滑動軸承固定在機(jī)架上，與試樣固定架上試件上表面平行，滑刀與推桿之間設(shè)置有力傳感器，可感知?jiǎng)冸x結(jié)冰時(shí)的切向應(yīng)力；根據(jù)一體化要求推桿可采用電動、氣動等自動進(jìn)給方式，并進(jìn)一步確定進(jìn)給速度等參數(shù)，完善測試標(biāo)準(zhǔn)要求；測試裝置中試件固定架需進(jìn)行保溫處理，以防測試過程中試件內(nèi)部溫度不均引起的測試數(shù)據(jù)不穩(wěn)定。實(shí)施例3本實(shí)用新型公開裝置具體使用說明。本實(shí)用新型公開裝置可用于材料冰黏附強(qiáng)度測試、涂層冰黏附強(qiáng)度測試、不同形態(tài)(光滑、粗糙、規(guī)則非光滑)及其相關(guān)參數(shù)表面冰黏附測試等領(lǐng)域，可以為工程材料選擇及工程中防結(jié)冰材料、涂層、表面研究開發(fā)提供參考依據(jù)。作為對材料表面特性的測試裝置，本實(shí)用新型公開冰黏附強(qiáng)度測試裝置具體操作步驟如下(1)將待測試件3推入樣品固定架1和制冷單元2中間，固定待測試件3。(2)啟動待測試件底部的制冷單元2，對待測試件3進(jìn)行快速制冷，使其達(dá)到預(yù)定制冷溫度(根據(jù)測試標(biāo)準(zhǔn)及要求，溫度從-30°C 0°C可調(diào))。(3)利用水滴定裝置5滴定定量水至待測試件3表面，制冷單元2繼續(xù)恒定保溫， 使液態(tài)水結(jié)冰，待進(jìn)行剝離試驗(yàn)。(4)等待測試件表面結(jié)冰后，推桿9通過手動或自動推動帶動滑刀6剝離試樣表面結(jié)冰，剝離過程中記錄顯示器8中顯示的最大切向力，此力即用于表征材料表面或涂層的冰黏附強(qiáng)度。本實(shí)用新型的表面冰黏附測試方法和裝置，除了可用于測試多種材料待測試件表面的冰黏附強(qiáng)度外，還可以用于進(jìn)行各種涂層以及非光滑粗糙表面待測試件的冰黏附強(qiáng)度測試，在進(jìn)行各種涂層以及非光滑粗糙表面待測試件的冰黏附強(qiáng)度測試時(shí)，需要對試樣進(jìn)行涂層處理或者更換非光滑粗糙表面試樣，然后按照上述步驟進(jìn)行測試即可。顯然，根據(jù)本實(shí)用新型公開的內(nèi)容及具體實(shí)施例說明，本領(lǐng)域的一股技術(shù)人員能做出其他不同形式的變動，公開專利說明書中無法對所有的實(shí)施方式一一列舉，但由此衍生出來的顯而易見的變動仍屬于本實(shí)用新型的保護(hù)范圍之中。
權(quán)利要求1.一種冰黏附強(qiáng)度測試裝置，其特征在于，該裝置主要由置于殼體內(nèi)的樣品固定架 (1)、制冷單元O)、水滴定裝置( 和滑刀平臺組成，所述制冷單元( 置于固定架(1)內(nèi)， 由安裝在固定架(1)底部的支撐機(jī)構(gòu)支撐，待測試件(3)置于制冷單元(2)之上并通過支撐機(jī)構(gòu)與樣品固定架(1)固定，定量水滴定單元( 裝在待測試件C3)的上方，所述滑刀平臺包括滑刀(6)和切向推桿(9)，滑刀(6)固定在切向推桿(9)的一端，切向推桿(9)滑動裝配在固定架(1)上，滑刀(6)通過推動切向推桿(9)沿待測試件C3)表面平行移動。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種冰黏附強(qiáng)度測試裝置，其特征在于，所述滑刀(6)剝離待測試件C3)表面結(jié)冰凸包的切向力通過力傳感器(7)和顯示器(8)測得。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種冰黏附強(qiáng)度測試裝置，其特征在于，所述切向推桿 (9)采用手動、電動或氣動，推進(jìn)速度可控。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種冰黏附強(qiáng)度測試裝置，其特征在于，所述定量水滴定裝置(5)為一個(gè)或多個(gè)，定量水滴定裝置(5)為固定或移動式。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種冰黏附強(qiáng)度測試裝置，其特征在于，所述滑刀(6)與待測試件(3)距離和攻角可調(diào)。
專利摘要本實(shí)用新型涉及一種冰黏附強(qiáng)度測試裝置。該裝置由樣品固定架、制冷單元、水滴定單元、滑刀、力傳感器等部件構(gòu)成。使用時(shí)待測試件固定于樣品固定架上，通過底部的制冷單元對待測試件制冷；待測試件達(dá)到預(yù)定制冷溫度時(shí)，利用水滴定裝置滴定定量水至待測試件表面使其在待測試件表面快速結(jié)冰；等待樣本表面結(jié)冰后，利用帶力傳感器的滑刀平行推試件表面結(jié)冰凸包，并測試結(jié)冰剝離(或破裂)時(shí)最大力，此力即用于表征材料表面或涂層表面的冰黏附強(qiáng)度。該裝置原理及結(jié)構(gòu)簡單，操作簡便，能真實(shí)表征材料(或涂層)表面與冰的切向黏附強(qiáng)度。并且由于準(zhǔn)確控制結(jié)冰規(guī)律、形態(tài)以及實(shí)驗(yàn)溫度等主要參數(shù)，因此可保證測試的重復(fù)可靠性和準(zhǔn)確性。
文檔編號G01N19/04GK202033278SQ20112014025
公開日2011年11月9日 申請日期2011年5月6日 優(yōu)先權(quán)日2011年5月6日
發(fā)明者叢茜, 曹敏, 汝紹鋒, 汲靜靜, 金敬福 申請人:吉林大學(xué)