一种材料表面冰层垂直结合强度的测试装置及其测试方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种用于金属材料、涂层、天然生物材料表面以及特殊润湿性表面冰层强度的测试装置，具体涉及一种材料表面冰层垂直结合强度的测试装置及其测试方法。
【背景技术】
[0002]在自然界中，结冰是一种美丽的自然景观，能给人类带来视觉上的享受，但也会经常给人们的日常生活和实际工程造成不便，甚至灾难。例如电力系统，高压架空输电裸铝导线在一定的大气环境下会出现覆冰现象。当输电导线覆冰严重时，就会发生线路跳闸、导线舞动、线路断裂、输送塔倒塌、绝缘子闪络和通信中断等灾害。飞机表面不同部位结冰将会造成空气动力性能变差、飞机剧烈颤动、妨碍驾驶员视线、干扰通信或造成通信中断等，降低飞机的操纵性、稳定性等安全性能，直接威胁飞机的飞行安全。目前，各个领域的防冰措施有很多种，其中较为常用的包括在基体表面涂覆防冰涂料，采用与冰层结合强度较小的材料作为基体以及在材料表面进行特殊处理，使其表面的冰层结合强度减小。因此研宄材料表面冰层结合强度是非常必要的。
[0003]目前国内外关于材料表面冰层结合强度的测试方法的报道主要有:美国寒冷地区研宄与工程实验ASTMD3528-96 (2002)测试标准，设计了双试件搭接切向力测试方法，用于评价材料表面与冰的粘合强度；美国陆军工兵部队和寒冷地区研宄工程实验室提出了目前普遍采用的空芯圆桶制冰后测量剪切和法向剥离强度，利用法向和切向的推力剥离空芯杯中的冰和待测表面的力表征材料表面冰结合强度；国内专利“一种测试覆冰或涂层结合强度的装置”(ZL200920001291.0)基于专利CN1321881A提出的“一种测量涂层结合强度的试验”方法，利用锥面容腔和堵塞的挤压和拉伸测试试样表面与冰的法向力；国内专利201110115608.5设计了一种对冰剪切粘合强度的测试装置，该试验装置是在材料表面滴定水滴，通过样品底部的制冷单元对样品进行制冷，待其完全冻结后，利用材料上方的滑刀的移动将表面凸冰剥离，通过测力计读出测得的最大剥离力。总结以上目前报道的材料表面冰层结合强度的测试方法和装置，主要问题有:(1)设备复杂，测试元素较多，试验误差大；
(2)测试时间长，制作成本大；(3)测试适用范围窄，实用性小。
【发明内容】
[0004]针对以上现有表面冰层黏附强度测试方法和装置存在的一些问题，本发明的目的在于提供一种有简便、快速、可重复性强、适用于多种材料(或涂层)表面以及特殊润湿性材料表面的冰层垂直结合强度测试装置及其测试方法。
[0005]本发明的上述目的通过以下技术方案实现，一种材料表面冰层垂直结合强度的测试装置，主要由上盖板、下盖板、固定调节装置、定位连接装置、制冷单元、拉伸连接装置、连接装置、拉伸装置、辅助垫环、锥形圆筒、试样盖板、试样固定螺栓和支撑杆；其特征在于:所述测试装置的上下二块盖板通过固定调节装置连接固定，下盖板通过定位连接装置固定制冷单元，制冷单元上设置有待测试样；所述拉伸连接装置和连接装置连接，连接装置和拉伸装置连接，拉伸装置通过辅助垫环连接锥形圆筒，锥形圆筒和试样盖板连接，试样盖板下端设置有待测试样；所述试样固定螺栓通过上盖板固定连接试样盖板，支撑杆支撑整个测试装置。
[0006]本发明所述方法首先利用测量装置中的锥形圆筒制备等体积等接触面积的冰层，然后利用拉伸装置提升锥形圆筒将冰层剥离；读取剥离过程中最大的法向力，将该值与冰层与试样的接触面积的比值表征材料表面冰层垂直结合强度。本方法采用等体积等接触面积的冰层，高效而可控的制冷单元表面温度，因此试验重复性可保证，并且操作方便，测试速率快；一种材料表面冰层垂直结合强度的测试方法，其特征在于方法步骤如下:
(1)加工待测试样，保证表面平行度；
(2)将加工好的待测试样放置在制冷单元上，并加上试样盖片，用试样固定螺栓固定，保证待测试样下表面紧密接触制冷单元；
(3)调节拉伸装置与锥形圆筒之间相对位置，开启拉伸试验机，将锥形圆筒缓慢升起一定高度后，清零拉伸试验机力值数据，然后下降，让锥形圆筒自然落在待测样品表面；
(4)开启制冷单元，并开始计时，1s后用注射器注入定量的水到锥形圆筒中，待锥形圆筒内水结冰完全，形成冰层；
(5)固定一段时间后，开启拉伸试验机，通过拉伸装置提升锥形圆筒，将形成的冰层与待测试样剥离，通过测力计显示的最大法向力与锥形圆筒底面内圆面积的比值表征材料表面冰层垂直结合强度。
[0007]本发明所述(5)中固定一段时间为锥形圆筒内水形成冰层和制冷单元达到预定制冷温度后的某个时间点为终点的时间段。
[0008]本发明所述待测试样表面所形成的冰层为圆锥状。
[0009]本发明所述下盖板由支撑杆连接到拉伸试验机测试平台上。
[0010]本发明拉伸装置由拉伸连接装置连接在拉伸试验机力感应器上。
[0011]本发明所述通过拉伸装置提升锥形圆筒，剥离待测试样表面冰层的最大法向力可由拉伸试验机的力感应器读取。
[0012]本发明所述制冷单元通过自动温度控制器，精确控制冷单元上表面的制冷温度，制冷温度在-30 0C -O 0C之间可调。
[0013]本发明所述(3)中，将锥形圆筒升高后清零数显拉力计值，排除锥形圆筒、辅助垫环、拉伸装置、连接装置和拉伸连接装置的重力对测试结果的影响。
[0014]本发明所述(5)中，锥形圆筒底面面积取锥形圆筒底面内圆面积。
[0015]本发明所述装置锥形圆筒和试样盖片所用的材料均为PFTE，有很好的保温作用。
[0016]本发明所述装置锥形圆筒采用锥形设计，并且低端冰层部分的内壁面通过材料表面微结构调控的方法改变其润湿性，显亲水性。
[0017]本发明上述技术方案，相对于现有的材料表面冰层结合强度的技术具有以下不同点:(1)实验装置中制冷单元对待测试样制冷，采取控制制冷单元上表面温度，类似于控制环境温度，强调了待测试样本身固有的抗冰属性，测试更加有效，真实，便于科学研宄，并且制冷效率高，测试周期短。(2)制冷单元上表面温度的控制采用动态平衡保温方式，避免了进行冰层垂直结合强度测试时，因脱离制冷环境而导致的冰层融化，对实验结果产生较大的影响；(3)装置中锥形圆筒和固定盖片都采用了 PFTE材料，具有很好的保温作用，克服了传统圆筒制冰所用的金属圆筒制冰易受环境温度影响的弊端。(4)锥形圆筒采用锥形设计，能够很好的将冰层与待测试样剥离，并且锥形圆筒低端冰层部分的内壁面通过材料表面微结构调控的方法改变其润湿性，显亲水性，能够测试不同润湿性表面的材料表面，扩大了测试范围，且测试结果更加准确。(5)装置利用锥形圆筒装置制等体积等接触面积的冰层，将记录剥离过程中最大的法向力与锥形圆筒底面内圆面积的比值表征材料表面冰层垂直结合强度，误