冰粘附力實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)案例分析目錄TOC\o"1-3"\h\u23106冰粘附力實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)案例分析 136341.1疏水涂層疏水原理及影響因素 1233661.2疏水涂層材料的優(yōu)選 2114101.3覆冰粘附力實(shí)驗(yàn)臺(tái) 4300871.3.1實(shí)驗(yàn)原理及方案 4288701.3.2實(shí)驗(yàn)臺(tái)的設(shè)計(jì) 51.1疏水涂層疏水原理及影響因素對(duì)于固體材料而言，通常用水滴在固體材料表面的浸潤(rùn)程度來(lái)判別其疏水性能的優(yōu)劣，根據(jù)水滴浸潤(rùn)程度的不同，可以將固體材料表面分為親水性表面和疏水性表面，水滴在固體材料表面的接觸角是衡量水滴浸潤(rùn)程度的量化指標(biāo)，接觸角是在空氣、固體表面和水滴三相交點(diǎn)做與水滴相切的線，此線與固體表面和水滴的接觸面的夾角θ，此角度示意圖如圖1.1所示。對(duì)于疏水涂層而言，水接觸角不僅直觀表明了水滴在其表面的浸潤(rùn)程度，也是衡量其疏水性能的重要指標(biāo)。水滴接觸角越大，表明水滴與固體材料表面的接觸面積越小，即疏水涂層的疏水性能越好，一般接觸角大于90°時(shí)即可認(rèn)為該涂層具備疏水性能，當(dāng)接觸角大于150°時(shí)，可認(rèn)為該涂層具備超疏水性能。圖1.1水接觸角平面示意圖Wenzel[31]認(rèn)為液滴與固體表面不是完全接觸，并且提出由于表面粗糙度不同，液滴與固體表面實(shí)際接觸面積也不同，如圖3.1（a）所示。Cassie和Baxter[32]提出了Cassie-Baxter模型，該模型認(rèn)為液滴與固體粗糙表面由于氣體的存在并不完全接觸，如圖3.1（b）所示。（a）Wenzel水滴形態(tài)（b）Cassie-Baxter水滴形態(tài)圖1.2水滴在疏水涂層表面的存在形態(tài)疏水/超疏水涂層由于其與水滴浸潤(rùn)程度小，水滴與涂層表面的接觸面積小，水滴在該表面結(jié)冰后的粘結(jié)強(qiáng)度小，結(jié)冰時(shí)呈現(xiàn)Cassie-Baxter形態(tài)，使得涂層表面的冰易于去除，故可以在極地冰鉆領(lǐng)域可以發(fā)揮良好的防覆冰效果。將疏水/超疏水涂層應(yīng)用到極地冰層鉆進(jìn)中的主要原因是將涂層涂敷在鉆具表面后，降低了與冰的粘結(jié)強(qiáng)度，迫使冰在較小的力作用下離開(kāi)鉆具表面，減小冰屑在鉆具表面重復(fù)凍結(jié)的可能性。為解決極地冰層鉆進(jìn)過(guò)程中發(fā)生卡鉆等鉆進(jìn)事故，本文探討了疏水涂層對(duì)于降低覆冰粘附凍結(jié)力的程度，判斷將其運(yùn)用在極地冰層鉆具的可能性。然而在疏水/超疏水涂層表面，影響其防覆冰粘附強(qiáng)度的因素至今沒(méi)有特別明朗的認(rèn)識(shí)，可能影響的因素主要有表面能、表面粗糙度以及分子間作用力三個(gè)方面[33]。有相關(guān)理論指出，對(duì)于固體材料，表面能較低的材料相較于表面能較高的材料其疏水性能反而更佳，即冰在其表面的粘附強(qiáng)度更低。材料的表面粗糙度對(duì)覆冰粘附強(qiáng)度也有一定的影響，此影響是相對(duì)而言的，對(duì)于疏水表面，材料表面的覆冰粘附強(qiáng)度與表面粗糙度呈反比關(guān)；對(duì)親水表面，則是呈正比關(guān)系。對(duì)于分子間作用力而言，材料表面的覆冰粘附強(qiáng)度與分子間作用力呈正相關(guān)，由上述表述可知，不考慮表面粗糙度的影響時(shí)，材料的表面能越低，分子間作用力越小，其防覆冰效果越好。1.2疏水涂層材料的優(yōu)選由上述影響防覆冰粘附強(qiáng)度的因素可知，材料的表面能越低，分子間作用力越小，其疏水性能越好，防覆冰粘附強(qiáng)度越高。因此本文優(yōu)選符合此條件的疏水涂料，目前采用的材料多為氟基和硅基。氟基材料由于氟原子吸電子能力強(qiáng)，所以其表面能較低[34]，全氟烷基的表面能僅為10mN/m。故將氟基用于疏水涂層可以降低覆冰粘附強(qiáng)度，并且已經(jīng)有多個(gè)學(xué)者實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了含有氟基的疏水涂料的防覆冰性能。硅基材料的表面能高于氟基，但是有學(xué)者M(jìn)uras[35]經(jīng)過(guò)研究發(fā)現(xiàn)，水與硅基之間的分子作用力相對(duì)于水與氟基之間的分子作用力降低了數(shù)倍，在1.1表述中可知，分子間作用力越低，材料表面的覆冰粘附強(qiáng)度越低，因此硅基材料也可以大幅降低冰在表面的粘附強(qiáng)度。經(jīng)過(guò)研究發(fā)現(xiàn)，將硅基與氟基兩種基團(tuán)接入到同一材料中時(shí)，此材料的疏水性能有了較大提升并且該材料在一定程度上可以疏油。根據(jù)涂層的疏水原理及疏水性能影響因素，選取了五種可能運(yùn)用于極地冰層鉆具的疏水涂料，為了探究將其運(yùn)用于極地冰層鉆探的可能性，并且保證實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的可靠，本文采用鋼管代替真實(shí)鉆進(jìn)過(guò)程中的圓形部件，采用鋼片代替鉆具中的平面部件，所有試樣均采用不銹鋼材料。選用五種涂層的特點(diǎn)如下：(1)由于極地環(huán)境溫度較低，所以涂層材料首先要耐低溫且性能良好穩(wěn)定；(2)防覆冰效果優(yōu)異，參考影響疏水涂料性能的因素來(lái)選擇防覆冰效果優(yōu)異的疏水涂層；(3)可涂敷于金屬表面，本文選擇的試樣材料均為304不銹鋼，因此本文選擇的疏水涂層需均勻牢固涂敷在不銹鋼表面，同時(shí)能在不銹鋼表面發(fā)揮良好的疏水性能和防覆冰性能；(4)考慮到極地現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境較為惡劣，因此涂層的施工方法要盡可能簡(jiǎn)單，維護(hù)方法也應(yīng)簡(jiǎn)單有效，防止由于涂層磨損失效后多次提鉆更新涂層而提高非鉆進(jìn)時(shí)間，降低鉆進(jìn)效率；(5)由于極地冰層鉆進(jìn)過(guò)程中，鉆具會(huì)受到來(lái)自多方面的摩擦，因此涂層的耐摩壽命要高。本文選用的五種涂層的主要成分為硅烷共聚物、氟類共聚物、硅基乳液、氟類與硅類共聚物和丙烯酸/全氟乙烯共聚物，五種涂層的具體信息如下表1.1所示，五種涂料的施工方式均為簡(jiǎn)單涂敷或者簡(jiǎn)單烘烤，用脫脂棉擦拭在試樣表面即可。表1.1本文所用五種涂層基本信息涂層序號(hào)序號(hào)主要原料生產(chǎn)廠家AM1502硅烷共聚物深圳市派旗納米技術(shù)有限公司B鍍晶液氟類共聚物東莞市氟王新材料有限公司CZXL-DS-01硅基乳液萊陽(yáng)子西萊環(huán)?？萍加邢薰綝DS102氟類與硅類共聚物東莞市德圣龍涂料有限公司EDS-200丙烯酸全氟乙烯共聚物東莞德圣龍涂料有限公司1.3覆冰粘附力實(shí)驗(yàn)臺(tái)1.3.1實(shí)驗(yàn)原理及方案本文要探究五種涂層均勻涂敷在不銹鋼表面的防覆冰性能，檢測(cè)將其應(yīng)用在極地冰層鉆進(jìn)中的可能性，并優(yōu)選出較為適用的涂層。由于模擬極地冰層鉆進(jìn)環(huán)境的溫度條件，故實(shí)驗(yàn)在低溫冷凍室內(nèi)進(jìn)行。參考多個(gè)學(xué)者測(cè)試覆冰粘附力實(shí)驗(yàn)設(shè)備[36-37]，自主設(shè)計(jì)測(cè)試實(shí)驗(yàn)臺(tái)，實(shí)驗(yàn)原理如圖1.3所示。如前所述，采用不銹鋼鋼板和不銹鋼鋼管代替鉆具進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，通過(guò)兩種不銹鋼水杯分別在鋼板和鋼管上凍冰，采用拉力計(jì)來(lái)測(cè)試覆冰粘附力大小。具體測(cè)試方法為：將實(shí)驗(yàn)所用的材料置于低溫冷凍室內(nèi)預(yù)冷，為保證實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)有可靠，將底部形狀為平面和曲面的水杯分別擺放于平面鋼板和曲面鋼管的固定位置處，利用注射器向水杯內(nèi)注射一定體積預(yù)冷過(guò)的蒸餾水，靜置于低溫冷凍箱內(nèi)直至牢固凍冰，通過(guò)拉力計(jì)將水杯與鋼板或者鋼管分離，拉力計(jì)的峰值與水杯和試樣接觸面積的比值即為粘附應(yīng)力值。本文設(shè)計(jì)了兩個(gè)方向的凍冰粘附力測(cè)試，分別為法向和剪切方向，對(duì)于平面試樣鋼板和曲面試樣鋼管，其測(cè)試原理如圖1.3的（a）和（b）所示。

（a）鋼板試樣（b）鋼管試樣 圖1.3實(shí)驗(yàn)原理圖1.3.2實(shí)驗(yàn)臺(tái)的設(shè)計(jì)根據(jù)本實(shí)驗(yàn)的目的和實(shí)驗(yàn)原理圖，創(chuàng)新了已有實(shí)驗(yàn)臺(tái)，并對(duì)其進(jìn)行加工，實(shí)驗(yàn)試樣材料均為304號(hào)鋼，平面試樣與平面水杯配套使用，曲面試樣和曲面水杯配套使用，試樣的圖紙如圖1.4和圖1.5所示，實(shí)物圖如圖1.6所示，平面水杯和曲面水杯圖紙如圖1.7和圖1.8所示，實(shí)物圖如圖1.9所示，其中平面試樣鋼板的尺寸為長(zhǎng)為200mm，寬為92mm，厚為5mm；曲面試樣鋼管的尺寸為內(nèi)徑為117mm，長(zhǎng)為200mm，厚為5mm；水杯的尺寸為外徑為66mm，厚為3mm。所有實(shí)驗(yàn)器材均進(jìn)行拋光處理，保證其表面光潔度，防止表面粗糙度對(duì)實(shí)驗(yàn)帶來(lái)誤差。平面鋼板和曲面鋼管兩側(cè)設(shè)計(jì)凹槽，用于固定在實(shí)驗(yàn)臺(tái)上，防止實(shí)驗(yàn)過(guò)程中兩種試樣滑動(dòng)，影響實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的可靠。圖1.4平面鋼板工程圖 圖1.5曲面鋼管工程圖圖1.6平面鋼板和曲面鋼管實(shí)物圖圖1.7平面水杯工程圖圖1.8曲面水杯工程圖圖1.9水杯和杯蓋實(shí)物圖本實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)了兩個(gè)方向的力即法向力和剪切方向力來(lái)驗(yàn)證疏水涂層的防覆冰性能，故設(shè)計(jì)了通過(guò)改變?cè)嚇拥墓潭ㄎ恢脕?lái)實(shí)現(xiàn)可以同時(shí)測(cè)試法向力和剪切方向力的實(shí)驗(yàn)臺(tái)，進(jìn)行法向力測(cè)試時(shí)，為保證力的方向垂直試樣且大小不變，設(shè)計(jì)了豎直方向的導(dǎo)軌以及電動(dòng)推桿；進(jìn)行剪切方向力測(cè)試時(shí)，為保證力的方向平行于試樣且大小不變，設(shè)計(jì)了水平方向的導(dǎo)軌及電動(dòng)推桿。電動(dòng)推桿可以保證拉力計(jì)勻速行駛。根據(jù)以上描述設(shè)計(jì)出本文所需的實(shí)驗(yàn)臺(tái)，實(shí)驗(yàn)臺(tái)如圖1.10所示，主要由底座架、導(dǎo)軌、推拉力計(jì)、電動(dòng)推桿等組成。進(jìn)行平面鋼板和曲面鋼管剪切方向力測(cè)試時(shí)，將實(shí)驗(yàn)臺(tái)水平放置，通過(guò)螺栓將拉力計(jì)固定在水平導(dǎo)軌的滑塊上，滑塊在導(dǎo)軌上帶動(dòng)拉力計(jì)勻速移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)剪切方向力平行于試樣且大小不變，試樣在實(shí)驗(yàn)臺(tái)上的固定位置如圖1.10（a，b）所示，利用實(shí)心不銹鋼圓桿將鋼管固定于圖示位置；進(jìn)行平面鋼板和曲面鋼管法向力測(cè)試時(shí)，實(shí)驗(yàn)臺(tái)豎直放置，水平導(dǎo)軌、滑塊以及拉力計(jì)共同固定在豎直導(dǎo)軌上，水平導(dǎo)軌在豎直導(dǎo)軌上可以勻速移動(dòng)以確保法向力垂直于試樣且大小不變，試樣在實(shí)驗(yàn)臺(tái)上的固定位置如圖1.10（c，d）所示，利用卡槽將平面鋼板和曲面鋼管固定在圖示位置。實(shí)驗(yàn)時(shí)分別將水杯固定在試樣上，杯蓋與水杯通過(guò)螺紋連接，注水凍冰完成后，通過(guò)杯蓋上端的拉環(huán)與拉力計(jì)相連進(jìn)行覆冰粘附力的測(cè)試。（a）測(cè)試曲面鋼管法向力原理圖（b）測(cè)試曲面鋼管法向力實(shí)物圖（c）測(cè)試曲面鋼管剪切方向力原理圖（d）測(cè)試曲面鋼管剪切方向力實(shí)物圖圖1.10實(shí)驗(yàn)臺(tái)實(shí)物圖本文所用電動(dòng)推桿相關(guān)信息如表1.2所示，實(shí)物圖如圖1.11所示；拉力計(jì)相關(guān)信息如表1.3所示，實(shí)