專利名稱：一種材料表面冰黏附強(qiáng)度法向力測(cè)試裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及材料表面冰黏附強(qiáng)度法向力測(cè)試裝置。這種測(cè)量方法和裝置能夠用于評(píng)價(jià)材料(涂層)表面的防結(jié)冰能力，對(duì)于低溫零部件的設(shè)計(jì)具有參考價(jià)值。
背景技術(shù)：
表面結(jié)霜、結(jié)冰問題是在低溫環(huán)境下由于存在水分或水蒸汽而產(chǎn)生的一種粘附現(xiàn)象，例如汽車玻璃上的結(jié)霜、電力傳輸設(shè)備上的結(jié)冰；飛機(jī)翼上的結(jié)冰，制冷設(shè)施和空調(diào)的結(jié)霜等問題。合理、快捷地評(píng)價(jià)材料(或涂層)、不同的表面形態(tài)的冰黏附特性并分析材料(涂層)和表面形態(tài)的黏附規(guī)律是工程領(lǐng)域中開發(fā)研制防凍黏技術(shù)的基礎(chǔ)。目前，針對(duì)材料表面的冰黏附特性的評(píng)價(jià)研究方法主要有美國(guó)寒冷地區(qū)研究與工程試驗(yàn)室ASTM D3528-96(1996)測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)；IS08131997規(guī)定了法向測(cè)試黏附力的標(biāo)準(zhǔn)；國(guó)內(nèi)專利200910005590. 6 ( 一種測(cè)試覆冰或涂層結(jié)合強(qiáng)度的裝置和方法)是一種用于測(cè)試覆冰與金·屬材料或涂料之間的粘結(jié)強(qiáng)度的測(cè)試裝置和方法等。以上幾種測(cè)試冰黏附強(qiáng)度方法和裝置的主要問題有(I)試驗(yàn)裝置過于復(fù)雜，需配別過多的附加裝置；(2)試驗(yàn)的可重復(fù)性不好，試驗(yàn)結(jié)果無法定量化等。針對(duì)以上現(xiàn)有表面測(cè)試黏附強(qiáng)度的方法和裝置的一些問題，本實(shí)用新型提出一種簡(jiǎn)便、可重復(fù)性強(qiáng)、能同時(shí)適用于材料(或涂層)的表面冰黏附強(qiáng)度的測(cè)試方法和裝置。本實(shí)用新型首先利用黏附探頭沾取定量的水，然后壓在已制冷的待測(cè)試樣表面，使其與測(cè)試樣表面結(jié)冰；然后通過推拉機(jī)構(gòu)往上拉，利用測(cè)力傳感器，可以得出此時(shí)最大的法向剝離力。由于本裝置每次黏附探頭沾取定量的水結(jié)冰、試樣表面制冷溫度可控，因此可以得到定量化的試驗(yàn)結(jié)果，試驗(yàn)可重復(fù)性能夠得到保證，并且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，操作方便。
發(fā)明內(nèi)容針對(duì)材料表面對(duì)冰的法向黏附特性評(píng)價(jià)，本實(shí)用新型提出一種原理簡(jiǎn)單，可定量化、試驗(yàn)重復(fù)性強(qiáng)，操作簡(jiǎn)便，能夠適用于包括涂層在內(nèi)的材料表面的冰黏附強(qiáng)度測(cè)試裝置。本實(shí)用新型的測(cè)試原理如下首先對(duì)待測(cè)試樣進(jìn)行制冷，達(dá)到預(yù)定的制冷溫度，并保持制冷溫度的恒定。再利用黏附探頭在水皿內(nèi)沾取定量的水，并對(duì)黏附探頭施加一定的載荷，使其與待測(cè)試樣表面緊密接觸，待其與待測(cè)試樣表面結(jié)冰。然后對(duì)黏附探頭施加一定的法向拉伸力，使其結(jié)冰剝離，通過力傳感器可以得出剝離過程中的最大法向力，此值即用于表征待測(cè)試樣表面冰黏附力。由于本裝置每次試驗(yàn)都沾取定量的水、待測(cè)試樣表面制冷溫度可控并保持溫度不變，在試驗(yàn)裝置簡(jiǎn)便的條件下，可以保證試驗(yàn)的可重復(fù)性，操作方便。本實(shí)用新型所述的材料表面冰黏附強(qiáng)度法向力測(cè)試方法和裝置，需按以下步驟進(jìn)行第一步制備待測(cè)試樣3，保證其表面的平整度；[0008]第二步待測(cè)試樣安裝于機(jī)架兼試樣固定臺(tái)I上，并保證待測(cè)試樣3與裝在機(jī)架兼試樣固定臺(tái)I上的制冷單元2接觸良好，開啟制冷控制單元8，對(duì)待測(cè)試樣3及機(jī)架兼試樣固定臺(tái)I進(jìn)行制冷，制冷溫度根據(jù)測(cè)試要求而設(shè)定，待測(cè)試樣3表面溫度達(dá)到設(shè)定溫度后保持穩(wěn)定狀態(tài)；第三步待測(cè)試樣3表面溫度達(dá)到測(cè)試溫度時(shí)，用黏附探頭4浸泡于水皿9中，保證黏附探頭4表面吸附的水分定量；將黏附探頭4快速安裝于裝有力傳感器5的推拉桿6上，通過調(diào)整推拉桿6使黏附探頭4與待測(cè)試樣3表面良好接觸；第四步保持黏附探頭4對(duì)待測(cè)試樣3表面的壓力恒定，直至黏附探頭4和待測(cè)試樣3表面水凍結(jié)黏結(jié)；根據(jù)界面結(jié)冰狀態(tài)保持一定時(shí)間，使其凍黏界面10穩(wěn)定；第五步拉動(dòng)推拉桿6，使黏附探頭4與待測(cè)試樣3表面發(fā)生剝離；通過測(cè)力傳感器5測(cè)量剝離過程最大拉力；并通過界面黏附面積的換算，得出待測(cè)試樣3的法向冰黏附強(qiáng)度。所述待測(cè)試樣3表面法向冰黏附強(qiáng)度的測(cè)量溫度可調(diào)，調(diào)整范圍在-35 0°C ;黏附探頭4表面吸附的水量可控。所述制冷溫度控制以及黏附探頭的沾水、加載、剝離過程由人工方式或通過電動(dòng)方式完成。一種用于上述的材料表面冰黏附強(qiáng)度法向力測(cè)試方法的裝置，主要由機(jī)架兼試樣固定臺(tái)I、制冷單元2、黏附探頭4、力傳感器5、推拉機(jī)構(gòu)6和定量水皿9組成，黏附探頭4通過力傳感器5安裝于推拉機(jī)構(gòu)6上，并通過推拉機(jī)構(gòu)6沿垂直于待測(cè)試樣3表面法向方向滑動(dòng)，對(duì)試樣表面加壓或拉拖剝離，待測(cè)試樣3通過制冷單元2裝在機(jī)架兼試樣固定臺(tái)I上，制冷單元2的溫度通過溫度控制器8控制。傳感器可以得出此時(shí)最大剝離力。由面積可以換算出表征材料表面或涂層的黏附強(qiáng)度。以上的制冷單元通過調(diào)節(jié)直流電源控制和保持溫度，精確控制待測(cè)試樣的制冷溫度，制冷溫度的調(diào)節(jié)范圍根據(jù)選用不同的制冷單元而不同(一般在-35 OV )。實(shí)用新型公開的冰黏附強(qiáng)度的測(cè)試裝置，該裝置主要由制冷溫控單元、黏附探頭、推拉機(jī)構(gòu)和底座以及測(cè)力傳感器組成，所述的制冷溫控單元置于底座內(nèi)，黏附探頭通過力傳感器連接于推拉桿機(jī)構(gòu)上。測(cè)力傳感器通過黏附探頭的法向拉伸來確定剝離過程中的最大剝離力。黏附探頭沾水水皿通過設(shè)定可一直保證其盛水容量，便于控制黏附探頭沾水量。在此實(shí)用新型中黏附探頭剝離待測(cè)試樣表面的結(jié)冰時(shí)，通過測(cè)力傳感器可以確定出拉伸過程中的最大剝離力。在此實(shí)用新型中測(cè)力傳感器可以采用電動(dòng)或者通過手動(dòng)來實(shí)現(xiàn)法向拉伸。在申請(qǐng)中黏附探頭根據(jù)待測(cè)試樣的冰黏附特性選擇不同材質(zhì)、不同形貌的不同黏附探頭。測(cè)試過程中黏附冰層破裂發(fā)生在黏附探頭側(cè)，未發(fā)生在待測(cè)試樣表面，表明待測(cè)試樣的冰黏附強(qiáng)度大于黏附探頭的冰黏附強(qiáng)度，視為試驗(yàn)結(jié)果無效，需更換冰黏附強(qiáng)度更大的黏附探頭；界面黏附冰層破裂發(fā)生在黏附冰層內(nèi)部，表明黏附探頭和待測(cè)試樣的冰黏附強(qiáng)度均大于冰自身的強(qiáng)度，視為試驗(yàn)結(jié)果有效，其結(jié)論為待測(cè)試樣冰黏附強(qiáng)度大于冰破裂強(qiáng)度；界面黏附冰層破裂發(fā)生在待測(cè)試樣表面，視所測(cè)法向力為待測(cè)試樣的冰黏附法向強(qiáng)度。[0021]相對(duì)于現(xiàn)有的表面黏附強(qiáng)度測(cè)試方法和手段，本實(shí)用新型公開的裝置有以下不同
占-
^ \\\ ·I)試驗(yàn)裝置中的制冷單元對(duì)待測(cè)試樣制冷，并且在測(cè)試過程對(duì)待測(cè)試樣進(jìn)行保溫。能有效地避免待測(cè)試樣制冷后，再進(jìn)行黏附試驗(yàn)時(shí)，由于溫度變化而造成冰的融化，從而對(duì)試驗(yàn)結(jié)果造成很大的影響。2)在進(jìn)行試驗(yàn)之前，先對(duì)待測(cè)試樣進(jìn)行制冷，待其達(dá)到制冷溫度后，利用黏附探頭在水皿里沾取水，然后與待測(cè)試樣表面進(jìn)行接觸、結(jié)冰，保證了試驗(yàn)結(jié)冰的速率，進(jìn)而保證了試驗(yàn)條件的統(tǒng)一性和試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性。試驗(yàn)裝置中的黏附探頭每次都沾取等量水。3)、黏附探頭根據(jù)其待測(cè)試樣的冰黏附強(qiáng)度特性，可采用不同材料制備，為了加強(qiáng)其自身表面冰黏附強(qiáng)度可在黏附探頭表面進(jìn)行形貌改良和改性。為了減少黏附探頭對(duì)待測(cè)·表面的傳熱影響，對(duì)黏附探頭預(yù)期連接的部件進(jìn)行隔熱處理，并且盡可能減小黏附探頭的體積和熱熔。4)、在測(cè)試中，測(cè)試法向剝離力時(shí)的最大力通過黏附探頭的下端面積換算得出表征材料或涂層表面的冰黏附強(qiáng)度。保證了試驗(yàn)不會(huì)引入其他的試驗(yàn)誤差，從而保證了試驗(yàn)的精確性。本實(shí)用新型公開的材料表面冰黏附強(qiáng)度法向力測(cè)試方法和裝置，可用于多種材料、涂層表面待測(cè)試樣的冰黏附強(qiáng)度測(cè)試，為工程中的材料和涂層提供了簡(jiǎn)易、可行有參照的評(píng)價(jià)方法和手段。

圖I是本實(shí)用新型公開的裝置的一種實(shí)施例示意圖。圖2是本實(shí)用新型公開的測(cè)試方法中對(duì)于黏附冰層剝離情況分辨示意圖，其中圖2 (a)為黏附探頭與待測(cè)材料表面由冰黏結(jié)初始狀態(tài)；圖2(b)為黏附探頭剝離過程中界面冰的破裂發(fā)生在黏附探頭附近狀態(tài)，此狀態(tài)為“失敗試驗(yàn)”，并不能真實(shí)反映待測(cè)試樣的冰黏附法向特性，應(yīng)更換其他黏附探頭進(jìn)行試驗(yàn);圖2(c)為黏附探頭剝離過程中界面冰的破裂發(fā)生在冰層內(nèi)部，此狀態(tài)為“合格試驗(yàn)”，表明待測(cè)試樣的冰法向黏附強(qiáng)度超過冰本身破裂強(qiáng)度，其冰黏附法向強(qiáng)度定義為“大于冰本身破裂強(qiáng)度”;圖2(d)為黏附探頭剝離過程中界面冰的破裂發(fā)生在待測(cè)試樣表面或附近，此狀態(tài)為“合格試驗(yàn)”，所測(cè)力真實(shí)表征待測(cè)試樣冰法向黏附強(qiáng)度。圖3是本實(shí)用新型公開的黏附探頭形式可采用的實(shí)施力示意圖，其中圖3 (a)為圓柱形光滑表面黏附探頭；圖3(b)為圓柱形黏附探頭表面加工網(wǎng)紋；圖3 (C)為圓柱形黏附探頭表面上加工沉孔或通孔；圖3(d)采用方形光滑表面黏附探頭。圖中1.機(jī)架兼試樣固定臺(tái)，2.制冷單元，3.待測(cè)式樣，4.黏附探頭，5.測(cè)力傳感器，6.推拉桿機(jī)構(gòu)，7.力顯示記錄儀，8.溫度控制器，9.定量水皿，10.界面黏附冰，11.快速連接段，12.滑動(dòng)軸承，13.水。
具體實(shí)施方式
本實(shí)用新型公開的材料表面冰黏附強(qiáng)度法向力測(cè)試方法和裝置，通過測(cè)試剝離試樣表面結(jié)冰時(shí)的最大法向力來表征試樣表面的冰黏附強(qiáng)度。與現(xiàn)有的冰黏附強(qiáng)度測(cè)試方法不同之處本實(shí)用新型公開的方式是先對(duì)待測(cè)試樣3進(jìn)行制冷，并對(duì)其進(jìn)行保溫，后通過黏附探頭4沾取的水13與待測(cè)試樣3表面進(jìn)行結(jié)冰。剝離過程中，通過推拉機(jī)構(gòu)6法向拉伸黏附探頭4使其與待測(cè)試樣3表面的結(jié)冰發(fā)生剝離，通過測(cè)力傳感器5可以確定出此過程中最大的剝離力。測(cè)試順序是(I)待測(cè)試樣3根據(jù)制冷單元2和試樣夾緊裝置來確定大小，對(duì)待測(cè)試試樣3表面進(jìn)行加工，保持平整度。(2)開啟制冷單元2，對(duì)待測(cè)試樣3制冷到指定溫度，并對(duì)其進(jìn)行保溫。(3)此時(shí)，用黏附探頭4在定量水皿9內(nèi)沾取定量的水13，使其與待測(cè)試樣3表面 緊密接觸，持續(xù)一定時(shí)間，待其結(jié)冰。此過程制冷單元2要保持對(duì)待測(cè)試樣3進(jìn)行保溫。(4)等待完全結(jié)冰后，通過推拉機(jī)構(gòu)6的法向拉伸黏附探頭4使其與待測(cè)試樣3表面的結(jié)冰完全剝離，力傳感器記錄此時(shí)最大的法向剝離力。通過公式σ = 4可以計(jì)算出表征此試樣的冰黏附強(qiáng)度。
O(5)換做其他的材料做試驗(yàn)時(shí)，重復(fù)以上(I) ⑷步驟。本實(shí)用新型公開裝置實(shí)施方法及說明。本實(shí)用新型公開方法測(cè)試裝置具體實(shí)施方法及關(guān)鍵內(nèi)容如下待測(cè)試樣3表面溫度達(dá)到指定溫度時(shí)，用黏附探頭沾取定量的水，因?yàn)槊看勿じ教筋^都觸到盛滿水的容器的底部，定量水皿9是被包在一個(gè)較大的水容器里，從而保證了定量水皿9中的水13 —直是出于外溢的狀態(tài)，所以黏附探頭4每次沾取的水都是定量的。其后，黏附探頭4與待測(cè)試樣3表面進(jìn)行接觸直到完全結(jié)冰。試驗(yàn)具有可重復(fù)性、簡(jiǎn)便性的特點(diǎn)，在試驗(yàn)過程中水其實(shí)是一種黏附劑。為了減少試驗(yàn)干擾及誤差，本實(shí)用新型公開的測(cè)試裝置中黏附探頭4材料、結(jié)構(gòu)形式、形貌等都要根據(jù)待測(cè)試樣3進(jìn)行調(diào)整和選擇。作為直接與待測(cè)試樣3接觸和黏結(jié)的黏附探頭4應(yīng)盡可能減小其體積和熱熔，以此避免黏附探頭4對(duì)黏結(jié)冰層及待測(cè)試樣3負(fù)溫的影響。試驗(yàn)過程中在測(cè)量最大法向力的同時(shí)，要觀察界面冰層破裂位置和形態(tài)，根據(jù)其位置分辨試驗(yàn)結(jié)果是否“合格”，如破裂冰層破裂發(fā)生在黏附探頭4表面，應(yīng)及時(shí)更換冰黏特性更強(qiáng)材質(zhì)的黏附探頭4或采用表面粗糙化、形貌改變或具有盲孔、通孔的可增強(qiáng)表面結(jié)冰強(qiáng)度的黏附探頭4進(jìn)行試驗(yàn)。具體裝置及測(cè)試實(shí)施中根據(jù)其測(cè)試目的及要求，可進(jìn)行不同負(fù)溫條件，黏附水量，凍結(jié)時(shí)間等定參數(shù)材料凍黏特性試驗(yàn)。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，在本領(lǐng)域的其他的技術(shù)人員仍能做出其他不同形式的變動(dòng)，本實(shí)用新型說明書中無法對(duì)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(dòng)仍屬于本實(shí)用新型的保護(hù)范圍之中。
權(quán)利要求1.一種材料表面冰黏附強(qiáng)度法向力測(cè)試裝置，其特征在于，主要由機(jī)架兼試樣固定臺(tái)(I)、制冷單元(2)、黏附探頭(4)、力傳感器(5)、推拉機(jī)構(gòu)(6)和定量水皿(9)組成，黏附探頭(4)通過力傳感器(5)安裝于推拉機(jī)構(gòu)(6)上，并通過推拉機(jī)構(gòu)(6)沿垂直于待測(cè)試樣(3)表面法向方向滑動(dòng)，對(duì)試樣表面加壓或拉拖剝離，待測(cè)試樣(3)通過制冷單元(2)裝在機(jī)架兼試樣固定臺(tái)⑴上，制冷單元(2)的溫度通過溫度控制器⑶控制。·
專利摘要本實(shí)用新型涉及一種材料表面冰黏附強(qiáng)度法向力的測(cè)試裝置。首先，把沾取定量水的黏附探頭垂直按壓于已制冷的待測(cè)試樣表面，待其接觸面結(jié)冰黏結(jié)；其次，垂直拉黏附探頭并測(cè)量剝離過程中的最大力，通過與黏附探頭接觸面積的換算得出表征待測(cè)試樣法向冰黏附強(qiáng)度的定量參數(shù)。所述裝置由機(jī)架兼試樣固定臺(tái)、制冷溫控單元、黏附探頭、探頭推拉機(jī)構(gòu)、測(cè)力傳感器、黏附探頭浸水水皿等部件組成。本實(shí)用新型中把水結(jié)冰過程作為一種黏附劑黏附黏結(jié)過程，通過定量控制溫度、結(jié)冰水量、黏附探頭接觸端面積和施加載荷，可避免以往的試驗(yàn)誤差和環(huán)境干擾。本實(shí)用新型原理結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，操作方便，可重復(fù)性高，真實(shí)地表征材料(或涂層)表面和冰的法向黏附強(qiáng)度。
文檔編號(hào)G01N19/04GK202710449SQ20122016642
公開日2013年1月30日 申請(qǐng)日期2012年4月19日 優(yōu)先權(quán)日2012年4月19日
發(fā)明者金敬福, 陳廷坤, 李微微, 曹敏, 齊迎春, 宋鵬飛, 叢茜 申請(qǐng)人:吉林大學(xué)