一种模拟外场作用下固体表面除冰性能的测试装置与方法与流程

本发明涉及一种测试材料表面(或涂层)除冰性能的测试方法及配套测试装置，属于实验室测试装备制造技术领域。这种测试方法和装置能用于评价固体表面结冰之后，在外场(风场和热场)条件下的除冰性能，对飞机结冰防护研究领域具有重要的应用意义。

背景技术：

作为一种客观的自然现象，结冰已经给人类正常的生活带来了巨大的影响，甚至带来了严峻的生命财产损失，例如飞行器结冰威胁着航班安全、道路结冰影响公共交通、输电线积冰压断线路等等。为了延缓甚至阻止结冰，过去数十年的研究重点集中在理解结冰过程中潜在的物理、化学机制，并发展了一系列的防冰或者除冰的方法，主要分为两类：①主动防冰技术；②被动防冰技术。当前，主动除冰技术主要包括喷洒防冰液除冰、机械振动除冰及电热除冰等，也已经被广泛地使用在航空工业、电网工业、及日常生活中。然而，这些方法主要依靠热量的供应、机械频繁的振动等手段，并且设计额外的防/除冰装置也增加了飞行器设计、制造的成本，导致这些方法逐渐不受青睐。

随着仿生技术及表面改性技术的不断发展，防冰的超疏水表面作为一种被动的防冰技术已经被提出，且作为基础性课题被广泛地研究，期望能够降低对传统的防除冰技术手段的依赖程度，甚至有望能够替代传统的主动除冰技术，促进航空工业飞机防除冰领域的发展。研究表明，具有微纳米复合结构的超疏水表面或涂层具有较高的防冰潜力，能够延迟试样表面冰层的聚集，且具有较小的冰层附着力。但是，在足够长时间的冷却条件下，试样表面依然有冰层聚集的现象，主要是由于即使试样表面处于完全不润湿的状态，在足够大的过冷条件下，液滴也会发生均匀形核、长大的过程，在固体表面形成冰层。

因此，利用一些外场条件(风场或振动和热场)研究超疏水防冰表面或涂层的除冰性能显得尤为重要，对超疏水防冰表面的真正工程化应用也具有重要的推动作用。然而，目前为止还没有任何测试装置或测试方法能够评价固体表面在外场条件的除冰性能，设计、制造这样的固体表面除冰性能测试装置对分析研究固体表面尤其是超疏水防冰表面的除冰性能对飞机防除冰技术地发展具有重要的促进作用。

技术实现要素：

本发明的目的是为了解决目前现有的装置和方法无法评价固体表面除冰性能的问题，本发明提供了一种模拟外场作用下固体表面除冰性能的测试装置与方法。

本发明采用以下技术方案：

一种模拟外场作用下固体表面除冰性能的测试装置，包括：定量水滴挤出装置(1)、上部带小孔的U形石英玻璃罩(2)、电动风机(3)、加热单元片(4)、低温冷台(5)、待测试的固体试样片(6)、带有导流片的风道(7)、低温控制装置(8)；所述的加热单元片(4)紧贴在低温冷台(5)上面，将待测试固体试样片(6)固定在加热单元片(4)上面，然后用U形石英玻璃罩(2)将加热单元片(4)、低温冷台(5)、待测试的固体试样片(6)整体罩住，U形石英玻璃罩(2)的缺口面正对风道，定量水滴挤出装置(1)置于U形石英玻璃罩(2)上方并插入U形石英玻璃罩(2)的小孔，将低温控制装置(8)与低温冷台(5)用管道连接，调节低温控制装置(8)使得低温冷台(5)降低温度同时冷却试样表面，使得测试试样表面液滴结冰，当评价风场作用下的除冰性能时，打开电动风机(3)，关闭加热单元(4)，观察记录试样表面冰在风场作用下的吹落的时间；当评价热场作用下的除冰性能时，开启加热单元(4)，关闭电动风机(3)，观察记录试样表面冰在热场作用下的融化的时间。

所述的测试装置，电动风机(3)可由控制开关控制，风速在0～20m/s范围内可调。

所述的测试装置，加热单元片(4)可由控制开关控制，升温速率在0～40℃/min范围内可调。

所述的测试装置，待测试的固体试样片表面的冰层主要通过低温冷台控制试样表面温度达到冰点以下，保证能够在固体试样表面形成冰层，其温度控制范围为0～-60℃。

所述的测试装置，定量水滴挤出装置，其挤出的液滴体积范围为4～10μL。

一种根据任一所述测试装置的测试方法，通过以下步骤实现：

1)将待测试的固体试样片(6)放置于上述模拟外场作用下固体表面除冰性能的测试装置中，并罩上U型石英玻璃罩(2)；

2)调节低温控制装置(8)，使得低温冷台(5)开始降温确保固体试样片(6)表面达到所设置的温度；

3)调节定量水滴挤出装置(1)，挤出一定体积的液滴置于固体试样片(6)表面，并确保液滴在低温作用下完全结冰；

4)当评价风场作用下的除冰性能时，打开电动风机(3)，记录步骤3)所述形成的冰被吹落的时间，以此来判断固体试样片(6)表面在风场作用下的除冰能力；当评价热场作用下的除冰性能时，打开电加热单元片(4)，记录步骤3)所述形成的冰被融化的时间，以此来判断固体试样表面在加热作用下的除冰能力。

所述的测试方法，所述步骤1)中的待测试的固体试样片尺寸大小范围在10mm×10mm～40mm×40mm，且对待测固体试样的材质不作要求。

所述的测试方法，所述步骤2)中调节低温控制装置使得步骤1)所述的待测试固体试样片表面的温度可维持在0～-60℃。

所述的测试方法，所述步骤3)中液滴的体积范围为4～10μL。

所述的测试方法，所述步骤4)，其中电动风机(3)风速的控制范围为0～20m/s。电加热单元片(4)加热的升温速率的控制范围为0～40℃/min。

本发明提供的一种模拟外场作用下固体表面除冰性能的测试装置与方法，解决了当前很难在实验室条件下评价固体试样表面在外场作用下的除冰性能，对促进防冰材料开发与新型除冰技术的发展具有重要的实践意义。

本发明提供的一种模拟外场作用下固体表面除冰性能的测试装置与方法，具有以下特点：

1)发明的模拟外场作用下固体表面除冰性能的测试装置操作简单、可满足实验室条件下固体试样表面除冰性能的测试要求。

2)发明的模拟外场作用下固体表面除冰性能的测试装置，成本低廉可推广至工业化生产。

3)提供的模拟外场作用下固体表面除冰性能的测试方法，容易实现，可满足常规非专业人员的使用要求。

附图说明

图1本发明提供的一种模拟外场作用下固体表面除冰性能的测试装置的示意图；

图2本发明中依据实施例1测试出来的几个试样表面在风场作用下的除冰性能；

图3本发明中依据实施例1测试出来的几个试样表面在热场作用下的除冰性能；

1，定量水滴挤出装置，2，U形石英玻璃罩，3，电动风机，4，加热单元片，5，低温冷台，6，固体试样片，7，带有导流片的风道、8，低温控制装置；

具体实施方式

为了对本发明的技术特征、目的和有益结果有更加清楚的理解和认识，现对本发明的技术方案进行以下详细说明，但不能理解为对本发明的可实施范围的限定。

结合说明书附图1，模拟外场作用下固体表面除冰性能的测试装置，包括：定量水滴挤出装置1、上端带小孔的U形石英玻璃罩2、电动风机3、加热单元片4、低温冷台5、待测试的固体试样片(6、带有导流片的风道7、低温控制装置8。

本发明中，所述的加热单元片4紧贴在低温冷台5上面，将待测试固体试样片6固定在加热单元片4上面，然后用U形石英玻璃罩2将加热单元片4、低温冷台5、待测试的固体试样片(6整体罩住，U形石英玻璃罩2的缺口面正对风道，定量水滴挤出装置1置于U形石英玻璃罩2上方并插入U形石英玻璃罩2的小孔，将低温控制装置8与低温冷台5用管道连接，调节低温控制装置8使得低温冷台5降低温度同时冷却试样表面，使得测试试样表面液滴结冰，当评价风场作用下的除冰性能时，打开电动风机3，观察记录试样表面冰在风场作用下的吹落的时间；当评价热场作用下的除冰性能时，开启加热单元4，观察记录试样表面冰在热场作用下的融化的时间。

本发明中，电动风机3可由控制开关控制，风速在0～20m/s范围内可调；

本发明中，加热单元片4可由控制开关控制，升温速率在0～40℃/min范围内可调；

本发明中，待测试的固体试样片表面的冰层主要通过低温冷台控制试样表面温度达到冰点以下，保证能够在固体试样表面形成冰层，其温度控制范围为0～-60℃；

本发明中，定量水滴挤出装置，其挤出的液滴体积范围为4～10μL；

本发明还提供了一种模拟外场作用下固体表面除冰性能的测试方法，是通过以下步骤实现的：

1)将待测试的固体试样片6放置于上述模拟外场作用下固体表面除冰性能的测试装置中，并罩上U型石英玻璃罩2；

2)调节低温控制装置8，使得低温冷台5开始降温确保固体试样片6表面达到所设置的温度；

3)调节定量水滴挤出装置1，挤出一定体积的液滴置于固体试样片6表面，并确保液滴在低温作用下完全结冰；

4),当评价风场作用下的除冰性能时，打开电动风机3，记录步骤3)所述形成的冰被吹落的时间，以此来判断固体试样片6表面在风场作用下的除冰能力；当评价热场作用下的除冰性能时，打开电加热单元片4，记录步骤3)所述形成的冰被融化的时间，以此来判断固体试样表面在加热作用下的除冰能力；

本发明中，所述步骤1)中的待测试的固体试样片尺寸大小范围在10mm×10mm～40mm×40mm，且对待测固体试样的材质不作要求。

本发明中，所述步骤2)中调节低温控制装置使得步骤1)所述的待测试固体试样片表面的温度可维持在0～-60℃。

本发明中，所述步骤3)中液滴的体积范围为4～10μL。

本发明中，所述步骤4)，其中电动风机3风速的控制范围为0～20m/s。电加热单元片4加热的升温速率的控制范围为0～40℃/min。

实施例1

本发明的一种模拟外场作用下固体表面除冰的测试装置与方法具体实施方式：

第一步，将钛合金超疏水表面试样剪裁成15mm×15mm大小，并将其放置于本发明提供的测试装置中，并罩上石英玻璃罩(2)，以确保整体风道的气流稳定；

第二步，调节低温控制装置，使得低温冷台开始降温确保试样表面达到-10℃，并保持试样表面温度不变直至本次测试结束；

第三步，调节石英玻璃罩上方的液滴挤出装置，挤出6μL的液滴置于待测试固体试样表面，并确保液滴在-10℃的低温作用下完全结冰；

第四步，调节电动风机的控制开关分别控制风速为7m/s和10m/s，打开电动风机3记录步骤3)所述形成的冰被吹落的时间，以此来判断固体试样表面在7m/s和10m/s风速条件下的除冰能力；

第五步，调节加热单元的控制开关分别控制升温速率2℃/s、5℃/s和10℃/s，连接电加热单元片4记录步骤3)所述形成的冰被融化的时间，以此来判断固体试样表面在2℃/s、5℃/s和10℃/s升温速率下的除冰能力。

依据此实施例，所测试的五组试样表面在不同风速条件下的除冰性能如附图2所示，所测试的五组试样表面在不同升温速率条件下的除冰性能如图2所示。

实施例2

本发明的一种模拟外场作用下固体表面除冰的测试装置与方法具体实施方式：

第一步，将钛合金超疏水表面试样剪裁成15mm×15mm大小，并将其放置于本发明提供的测试装置中，并罩上石英玻璃罩2；

第二步，调节低温控制装置，使得低温冷台开始降温确保试样表面达到-10℃，并保持试样表面温度不变直至本次测试结束；

第三步，调节石英玻璃罩上方的液滴挤出装置，挤出6μL的液滴置于待测试固体试样表面，并确保液滴在-20℃的低温作用下完全结冰；

第四步，调节电动风机的控制开关分别控制风速为7m/s和10m/s，打开电动风机3记录步骤3)所述形成的冰被吹落的时间，以此来判断固体试样表面在7m/s和10m/s风速条件下的除冰能力；

第五步，调节加热单元的控制开关分别控制升温速率2℃/s、5℃/s和10℃/s，连接电加热单元片4记录步骤3)所述形成的冰被融化的时间，以此来判断固体试样表面在2℃/s、5℃/s和10℃/s升温速率下的除冰能力。

实施例3

本发明的一种模拟外场作用下固体表面除冰的测试装置与方法具体实施方式：

第一步，将钛合金超疏水表面试样剪裁成15mm×15mm大小，并将其放置于本发明提供的测试装置中，并罩上石英玻璃罩2；

第二步，调节石英玻璃罩上方的液滴挤出装置，使得低温冷台开始降温确保试样表面达到-10℃，并保持试样表面温度不变直至本次测试结束；

第三步，调节液滴挤出装置，挤出6μL的液滴置于待测试固体试样表面，并确保液滴在-30℃的低温作用下完全结冰；

第四步，调节电动风机的控制开关分别控制风速为7m/s和10m/s，打开电动风机3记录步骤3)所述形成的冰被吹落的时间，以此来判断固体试样表面在7m/s和10m/s风速条件下的除冰能力；

第五步，调节加热单元的控制开关分别控制升温速率2℃/s、5℃/s和10℃/s，连接电加热单元片4记录步骤3)所述形成的冰被融化的时间，以此来判断固体试样表面在2℃/s、5℃/s和10℃/s升温速率下的除冰能力。

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。