表面弹性对结冰附着界面稳定性影响规律的试验研究

发布时间：2020-03-18 08:31

【摘要】：低温环境下,材料表面结冰现象普遍存在于电力、航空、车辆、制冷等工程领域。这种现象会给生产生活带来许多不便与危险。如,遮挡部件工作表面、增加飞机负重、降低换热器换热效率等,影响机械、机构的可靠性及安全性。本文针对冰雪危害中的结冰附着现象,以切向冻粘粘附力为指标,通过试验方法研究表面涂覆弹性涂层的弹性模量、分布、厚度等因素对结冰附着特性的影响,探究表面弹性及弹性涂层的分布对结冰附着界面的形成及其稳定性的影响规律,探讨基于表面改良的防结冰方法和技术方案。针对以上研究思路和目的,研究工作及结论如下:(1)本文基于相变膨胀现象,针对现有防冰/除冰技术的不足,提出了一种利用表面弹性影响结冰附着界面稳定性的方法。以铝和PMMA材料为试验对象,分别对表面弹性模量、弹性涂层的分布(涂覆形状、尺寸、间距、占空比)、厚度等因素对相变过程及结冰附着特性的影响进行了研究。为了研究弹性材料弹性模量对结冰附着的影响,本文采用两种材料,分别为BOPP和WH-705硫化硅橡胶。利用切向冻粘粘附力测试装置,以水杯制冰试验法,获得了金属和非金属材料(铝和PMMA)表面涂覆BOPP和WH-705硫化硅橡胶后的切向冻粘粘附力。为研究弹性涂层的分布(涂覆形状、尺寸、间距、占空比)、厚度等因素对结冰附着的影响,对PMMA表面进行不同形状分布(六边形、圆形、条纹、网格)的硫化硅橡胶涂覆,并测量了其切向冻粘粘附力;分析了直径、间距、厚度、占空比四个因素对铝基板结冰附着的影响,并利用响应面法分析铝基板部分涂覆弹性涂层的最佳参数。(2)试验表明,弹性涂层对材料表面切向冻粘粘附力影响显著,不同弹性涂层对切向冻粘粘附力的影响不同。在铝基板表面部分涂覆BOPP,其切向冻粘粘附力有所下降,约34.99%(条纹)与37.57%(圆形);部分涂覆硫化硅橡胶,其切向冻粘粘附力有所下降,约59.87%(条纹)与63.02%(圆形)。由此可以看出,利用弹性模量较小弹性涂层对材料表面进行涂覆,对减少材料表面切向冻粘粘附力有积极作用。试验结果显示,结冰附着界面面积与切向冻粘粘附力成正比。不同形状弹性涂层分布中,圆形涂覆相较于其他形状涂覆的切向冻粘粘附力小。通过优化分析及试验验证发现,对铝来说,涂覆圆心距、占空比、厚度、直径对切向冻粘粘附力的影响程度逐项减小,且随着直径、间距、厚度、占空比增大,切向冻粘粘附力先减小后增大。当直径为2.26 mm、圆心距为6.74 mm、占空比为11.01%、厚度为0.27 mm,降低切向冻粘粘附力的效果最好。(3)表面弹性对相变过程界面的影响效应分析表明,当水在冷表面凝聚结冰时,由于冷表面与环境温度较低,且液体凝固散热,水与外界接触部分先冻结,形成一层薄薄的壳。由于热量传递,冻结厚度逐渐向水的内部增加。水体积不可压缩,所以随着内部水结冰体积膨胀,外层冰壳会受到内部产生的膨胀力。基板表面部分涂覆涂层会改变膨胀力的作用方向,使得冰层与基板之间的界面不稳定。最终导致冰层与基板之间产生裂缝或彻底分离。(4)为探究基于表面弹性的防结冰方案实际应用的可行性,以实际车辆底盘为工程背景,在冬季路面冰雪覆盖情况下,对汽车挡泥板、翼子板内衬板附近的积雪积冰情况进行研究,分析底盘部件的结冰特性及规律。以轿车挡泥板为对象,并基于弹性表面设计制作了防结冰挡泥板模型,研究弹性表面对翼子板内衬板覆盖面的防积雪积冰效果。试验证明,用弹性涂层涂覆挡泥板,改变挡泥板表面弹性后,其上积冰冻粘粘附力可明显降低,挡泥板积冰时间推迟,积冰速度减缓。证实表面弹性对实际结冰附着的减少有积极作用。此方法具有实际意义与工程参考价值,以该理论为基础的防结冰模型具备实际意义与工程参考价值。本文作为应用基础研究,旨在探讨利用相变膨胀力进行主动防洁冰的方法和技术。初步研究了表面弹性对结冰附着界面的稳定性影响规律及机理,为实际工程防结冰技术提供了一个新思路。
【图文】：

日常生活,方式,冰图,岩石裂缝

（a）输电线路覆冰（b）汽车结冰（c）湖泊结冰（d）建筑物挂冰图 1.1 日常生活中常见的结冰方式结冰会影响交通。1955 年 1 月 26 日，英国渔船“Lorella”和“Roderigo”因大量结冰稳定性，，在北角冰岛以东约 90 英里的地方沉没。我国地域辽阔，北部地区纬度较高季气温低、降雪范围广、雪量大，平均每年降雪期长达三至五个月[1]。在低温影响下体岩石裂缝内未排干的水会结冰膨胀。由于其本身受到裂缝壁面的约束，结冰膨胀使裂缝扩张，导致山体结构不稳定，甚至被分裂成块，诱发泥石流产生，影响交通

三相图,水滴

其，稳定的氢键逐渐形成[8]。在氢键作用下，冰成体积膨胀，密度减小。体积小、曲率大、内部无杂质，会继续降温而结冰条件后，其外表面或靠近凝结核部位开始分最终会被过冷水包裹，整个水滴进入冰水混分冰由于热能不足而融化。此时水滴温度高于行，水滴体积逐渐膨胀。当水滴中的过冷水全其温度也将逐步降低至环境温度。一般来说，其表面会出现凝结现象，导致其直径进一步增所不同。在其表面施加过量压力会使结冰附着并使温度变为 0℃。当冰层温度继续下降水膜步加大。Laura Lupi 等[10]发现视觉平整但分是亲水特性，都不促进冰非均匀成核。他们认图 1.2 水的三相图
【学位授予单位】：吉林大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TB30

【参考文献】