專利名稱：一種材料表面冰黏附強度法向力測試裝置的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及材料表面冰黏附強度法向力測試裝置。這種測量方法和裝置能夠用于評價材料(涂層)表面的防結冰能力，對于低溫零部件的設計具有參考價值。
背景技術：
表面結霜、結冰問題是在低溫環境下由于存在水分或水蒸汽而產生的一種粘附現象，例如汽車玻璃上的結霜、電力傳輸設備上的結冰；飛機翼上的結冰，制冷設施和空調的結霜等問題。合理、快捷地評價材料(或涂層)、不同的表面形態的冰黏附特性并分析材料(涂層)和表面形態的黏附規律是工程領域中開發研制防凍黏技術的基礎。目前，針對材料表面的冰黏附特性的評價研究方法主要有美國寒冷地區研究與工程試驗室ASTM D3528-96(1996)測試標準；IS08131997規定了法向測試黏附力的標準；國內專利200910005590. 6 ( 一種測試覆冰或涂層結合強度的裝置和方法)是一種用于測試覆冰與金·屬材料或涂料之間的粘結強度的測試裝置和方法等。以上幾種測試冰黏附強度方法和裝置的主要問題有(I)試驗裝置過于復雜，需配別過多的附加裝置；(2)試驗的可重復性不好，試驗結果無法定量化等。針對以上現有表面測試黏附強度的方法和裝置的一些問題，本實用新型提出一種簡便、可重復性強、能同時適用于材料(或涂層)的表面冰黏附強度的測試方法和裝置。本實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試樣表面，使其與測試樣表面結冰；然后通過推拉機構往上拉，利用測力傳感器，可以得出此時最大的法向剝離力。由于本裝置每次黏附探頭沾取定量的水結冰、試樣表面制冷溫度可控，因此可以得到定量化的試驗結果，試驗可重復性能夠得到保證，并且結構簡單，操作方便。
發明內容針對材料表面對冰的法向黏附特性評價，本實用新型提出一種原理簡單，可定量化、試驗重復性強，操作簡便，能夠適用于包括涂層在內的材料表面的冰黏附強度測試裝置。本實用新型的測試原理如下首先對待測試樣進行制冷，達到預定的制冷溫度，并保持制冷溫度的恒定。再利用黏附探頭在水皿內沾取定量的水，并對黏附探頭施加一定的載荷，使其與待測試樣表面緊密接觸，待其與待測試樣表面結冰。然后對黏附探頭施加一定的法向拉伸力，使其結冰剝離，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試樣表面冰黏附力。由于本裝置每次試驗都沾取定量的水、待測試樣表面制冷溫度可控并保持溫度不變，在試驗裝置簡便的條件下，可以保證試驗的可重復性，操作方便。本實用新型所述的材料表面冰黏附強度法向力測試方法和裝置，需按以下步驟進行第一步制備待測試樣3，保證其表面的平整度；[0008]第二步待測試樣安裝于機架兼試樣固定臺I上，并保證待測試樣3與裝在機架兼試樣固定臺I上的制冷單元2接觸良好，開啟制冷控制單元8，對待測試樣3及機架兼試樣固定臺I進行制冷，制冷溫度根據測試要求而設定，待測試樣3表面溫度達到設定溫度后保持穩定狀態；第三步待測試樣3表面溫度達到測試溫度時，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，通過調整推拉桿6使黏附探頭4與待測試樣3表面良好接觸；第四步保持黏附探頭4對待測試樣3表面的壓力恒定，直至黏附探頭4和待測試樣3表面水凍結黏結；根據界面結冰狀態保持一定時間，使其凍黏界面10穩定；第五步拉動推拉桿6，使黏附探頭4與待測試樣3表面發生剝離；通過測力傳感器5測量剝離過程最大拉力；并通過界面黏附面積的換算，得出待測試樣3的法向冰黏附強度。所述待測試樣3表面法向冰黏附強度的測量溫度可調，調整范圍在-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方式完成。一種用于上述的材料表面冰黏附強度法向力測試方法的裝置，主要由機架兼試樣固定臺I、制冷單元2、黏附探頭4、力傳感器5、推拉機構6和定量水皿9組成，黏附探頭4通過力傳感器5安裝于推拉機構6上，并通過推拉機構6沿垂直于待測試樣3表面法向方向滑動，對試樣表面加壓或拉拖剝離，待測試樣3通過制冷單元2裝在機架兼試樣固定臺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度。以上的制冷單元通過調節直流電源控制和保持溫度，精確控制待測試樣的制冷溫度，制冷溫度的調節范圍根據選用不同的制冷單元而不同(一般在-35 OV )。實用新型公開的冰黏附強度的測試裝置，該裝置主要由制冷溫控單元、黏附探頭、推拉機構和底座以及測力傳感器組成，所述的制冷溫控單元置于底座內，黏附探頭通過力傳感器連接于推拉桿機構上。測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。在此實用新型中黏附探頭剝離待測試樣表面的結冰時，通過測力傳感器可以確定出拉伸過程中的最大剝離力。在此實用新型中測力傳感器可以采用電動或者通過手動來實現法向拉伸。在申請中黏附探頭根據待測試樣的冰黏附特性選擇不同材質、不同形貌的不同黏附探頭。測試過程中黏附冰層破裂發生在黏附探頭側，未發生在待測試樣表面，表明待測試樣的冰黏附強度大于黏附探頭的冰黏附強度，視為試驗結果無效，需更換冰黏附強度更大的黏附探頭；界面黏附冰層破裂發生在黏附冰層內部，表明黏附探頭和待測試樣的冰黏附強度均大于冰自身的強度，視為試驗結果有效，其結論為待測試樣冰黏附強度大于冰破裂強度；界面黏附冰層破裂發生在待測試樣表面，視所測法向力為待測試樣的冰黏附法向強度。[0021]相對于現有的表面黏附強度測試方法和手段，本實用新型公開的裝置有以下不同
占-
^ \\\ ·I)試驗裝置中的制冷單元對待測試樣制冷，并且在測試過程對待測試樣進行保溫。能有效地避免待測試樣制冷后，再進行黏附試驗時，由于溫度變化而造成冰的融化，從而對試驗結果造成很大的影響。2)在進行試驗之前，先對待測試樣進行制冷，待其達到制冷溫度后，利用黏附探頭在水皿里沾取水，然后與待測試樣表面進行接觸、結冰，保證了試驗結冰的速率，進而保證了試驗條件的統一性和試驗結果的準確性。試驗裝置中的黏附探頭每次都沾取等量水。3)、黏附探頭根據其待測試樣的冰黏附強度特性，可采用不同材料制備，為了加強其自身表面冰黏附強度可在黏附探頭表面進行形貌改良和改性。為了減少黏附探頭對待測·表面的傳熱影響，對黏附探頭預期連接的部件進行隔熱處理，并且盡可能減小黏附探頭的體積和熱熔。4)、在測試中，測試法向剝離力時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度。保證了試驗不會引入其他的試驗誤差，從而保證了試驗的精確性。本實用新型公開的材料表面冰黏附強度法向力測試方法和裝置，可用于多種材料、涂層表面待測試樣的冰黏附強度測試，為工程中的材料和涂層提供了簡易、可行有參照的評價方法和手段。
圖I是本實用新型公開的裝置的一種實施例示意圖。圖2是本實用新型公開的測試方法中對于黏附冰層剝離情況分辨示意圖，其中圖2 (a)為黏附探頭與待測材料表面由冰黏結初始狀態；圖2(b)為黏附探頭剝離過程中界面冰的破裂發生在黏附探頭附近狀態，此狀態為“失敗試驗”，并不能真實反映待測試樣的冰黏附法向特性，應更換其他黏附探頭進行試驗;圖2(c)為黏附探頭剝離過程中界面冰的破裂發生在冰層內部，此狀態為“合格試驗”，表明待測試樣的冰法向黏附強度超過冰本身破裂強度，其冰黏附法向強度定義為“大于冰本身破裂強度”;圖2(d)為黏附探頭剝離過程中界面冰的破裂發生在待測試樣表面或附近，此狀態為“合格試驗”，所測力真實表征待測試樣冰法向黏附強度。圖3是本實用新型公開的黏附探頭形式可采用的實施力示意圖，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.機架兼試樣固定臺，2.制冷單元，3.待測式樣，4.黏附探頭，5.測力傳感器，6.推拉桿機構，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.滑動軸承，13.水。
具體實施方式
本實用新型公開的材料表面冰黏附強度法向力測試方法和裝置，通過測試剝離試樣表面結冰時的最大法向力來表征試樣表面的冰黏附強度。與現有的冰黏附強度測試方法不同之處本實用新型公開的方式是先對待測試樣3進行制冷，并對其進行保溫，后通過黏附探頭4沾取的水13與待測試樣3表面進行結冰。剝離過程中，通過推拉機構6法向拉伸黏附探頭4使其與待測試樣3表面的結冰發生剝離，通過測力傳感器5可以確定出此過程中最大的剝離力。測試順序是(I)待測試樣3根據制冷單元2和試樣夾緊裝置來確定大小，對待測試試樣3表面進行加工，保持平整度。(2)開啟制冷單元2，對待測試樣3制冷到指定溫度，并對其進行保溫。(3)此時，用黏附探頭4在定量水皿9內沾取定量的水13，使其與待測試樣3表面 緊密接觸，持續一定時間，待其結冰。此過程制冷單元2要保持對待測試樣3進行保溫。(4)等待完全結冰后，通過推拉機構6的法向拉伸黏附探頭4使其與待測試樣3表面的結冰完全剝離，力傳感器記錄此時最大的法向剝離力。通過公式σ = 4可以計算出表征此試樣的冰黏附強度。
O(5)換做其他的材料做試驗時，重復以上(I) ⑷步驟。本實用新型公開裝置實施方法及說明。本實用新型公開方法測試裝置具體實施方法及關鍵內容如下待測試樣3表面溫度達到指定溫度時，用黏附探頭沾取定量的水，因為每次黏附探頭都觸到盛滿水的容器的底部，定量水皿9是被包在一個較大的水容器里，從而保證了定量水皿9中的水13 —直是出于外溢的狀態，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與待測試樣3表面進行接觸直到完全結冰。試驗具有可重復性、簡便性的特點，在試驗過程中水其實是一種黏附劑。為了減少試驗干擾及誤差，本實用新型公開的測試裝置中黏附探頭4材料、結構形式、形貌等都要根據待測試樣3進行調整和選擇。作為直接與待測試樣3接觸和黏結的黏附探頭4應盡可能減小其體積和熱熔，以此避免黏附探頭4對黏結冰層及待測試樣3負溫的影響。試驗過程中在測量最大法向力的同時，要觀察界面冰層破裂位置和形態，根據其位置分辨試驗結果是否“合格”，如破裂冰層破裂發生在黏附探頭4表面，應及時更換冰黏特性更強材質的黏附探頭4或采用表面粗糙化、形貌改變或具有盲孔、通孔的可增強表面結冰強度的黏附探頭4進行試驗。具體裝置及測試實施中根據其測試目的及要求，可進行不同負溫條件，黏附水量，凍結時間等定參數材料凍黏特性試驗。顯然，根據本實用新型公開的內容及具體實施例說明，在本領域的其他的技術人員仍能做出其他不同形式的變動，本實用新型說明書中無法對所有的實施方式一一列舉，但由此衍生出來的顯而易見的變動仍屬于本實用新型的保護范圍之中。
權利要求1.一種材料表面冰黏附強度法向力測試裝置，其特征在于，主要由機架兼試樣固定臺(I)、制冷單元(2)、黏附探頭(4)、力傳感器(5)、推拉機構(6)和定量水皿(9)組成，黏附探頭(4)通過力傳感器(5)安裝于推拉機構(6)上，并通過推拉機構(6)沿垂直于待測試樣(3)表面法向方向滑動，對試樣表面加壓或拉拖剝離，待測試樣(3)通過制冷單元(2)裝在機架兼試樣固定臺⑴上，制冷單元(2)的溫度通過溫度控制器⑶控制。·
專利摘要本實用新型涉及一種材料表面冰黏附強度法向力的測試裝置。首先，把沾取定量水的黏附探頭垂直按壓于已制冷的待測試樣表面，待其接觸面結冰黏結；其次，垂直拉黏附探頭并測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試樣法向冰黏附強度的定量參數。所述裝置由機架兼試樣固定臺、制冷溫控單元、黏附探頭、探頭推拉機構、測力傳感器、黏附探頭浸水水皿等部件組成。本實用新型中把水結冰過程作為一種黏附劑黏附黏結過程，通過定量控制溫度、結冰水量、黏附探頭接觸端面積和施加載荷，可避免以往的試驗誤差和環境干擾。本實用新型原理結構簡單，操作方便，可重復性高，真實地表征材料(或涂層)表面和冰的法向黏附強度。
文檔編號G01N19/04GK202710449SQ20122016642
公開日2013年1月30日 申請日期2012年4月19日 優先權日2012年4月19日
發明者金敬福, 陳廷坤, 李微微, 曹敏, 齊迎春, 宋鵬飛, 叢茜 申請人:吉林大學