[发明专利]材料表面动态冰层拉伸粘附强度的测量装置及方法

说明书

本发明公开了一种材料表面动态冰层拉伸粘附强度的测量装置，其包括：工作平台、杯座、气芯和柔性载体，其中，所述气芯固定在所述工作平台上，且所述工作平台内设置有与所述气芯相连通的第一气道管路；所述杯座可拆卸地套设在所述气芯上，且所述杯座内设置有与所述气芯相连通，并贯穿所述杯座上的上表面的第二气路管道；所述柔性载体覆盖在所述第二气道管路出口处。本发明的测量装置杯座可更换为不同材料，以测量不同材料表面动态冰拉伸粘附强度。测量装置通过气流及柔性载体加载，可减缓或避免界面应力集中现象发生，从而更真实、准确地测量界面拉伸粘附强度。相应地，本发明还提供了一种材料表面动态冰层拉伸粘附强度的测量方法。

技术领域

本发明属于冰层界面力学性能测量技术领域，具体涉及一种动态冰层与基底材料表面拉伸粘附强度的测量装置及其测量方法。

背景技术

表面结冰、结霜是指在低温环境(或结冰环境)下，由于水分凝固或水蒸气凝华而产生的一种冰层聚集粘附现象。例如汽车玻璃上的结霜、电力传输设备上的结冰；飞机机翼上的结冰，制冷设施和空调的结霜等。而材料表面结冰现象除了受温度这一重要因素影响之外，结冰表面的表面特性，特别是表面能的大小、表面对冰的附着力以及表面的疏水性对结冰现象有较大影响。

飞行状态下，飞行器表面结冰会严重影响其空气动力性能。例如，飞机在穿越具有结冰气象条件的云层时，大气中的过冷水滴撞击飞机迎风表面，很容易在机翼、尾翼、进气道、风挡玻璃等部件形成结冰。冰层的积聚会导致飞机升阻特性和操作特性严重下降，对飞行安全造成极大影响。大量的案例表明，发动机进气口结冰、机翼结冰还可能导致飞机失事。为保证飞行安全，国内外大部分飞机均设计和安装不同的防除冰系统，热式(电热除冰、气热除冰)防除冰系统是目前国内外应用最广泛的飞机防除冰系统，机械式除冰方法凭借其能耗低、结构简单易于维护等优点同样在飞机防除冰领域占有重要的一席之地。

研究表明冰层与飞机结构基底材料的粘附力越低，飞机防除冰技术越容易将飞机蒙皮表面的冰层去除。因此，准确测量冰层与基底材料界面的粘附性能，能够为飞机防除冰技术精准设计提供参考与数据支撑。

冰层与基底材料界面的粘附性能包括剪切粘附强度与拉伸粘附强度。当前对冰层与基底材料界面粘附性能的实验测试方式的研究主要集中于界面剪切粘附强度测试，而冰层与基底材料界面拉伸粘附强度的研究较少。现有技术中对材料表面拉伸粘附性能研究时，通常是将水置于容器中，然后将基质板盖在装满水的容器表面，放入冰箱中进行结冰。在水结冰的过程中体积膨胀、与覆盖在其上的基质板粘在一起，结冰完成后将其取出，倒置进行粘附力测试。例如，中国专利CN201420610062.X将冰和雪一起放置于盒子内，盖上基质板，倒置后放入冰箱进行冰冻，后取出进行测试。又如，中国专利 CN201210115221.4公开了一种材料表面冰粘附强度法向力测试方法和装置，其通过向将沾有水的探头施加荷载，使其与材料表面接触，并在制冷温度下结冰后，对探头施加一定的法向拉伸力，使得冰层剥离，期间通过压力传感器来得到剥离过程中的最大法向力，并以此表征材料表面冰粘附力。也即现有技术中主要是针对材料表面形成的静态冰层的拉伸粘附力的测量，其存在以下问题：

1)上述测量方式都是针对在材料表面形成的静态冰层，而并没有针对材料表面形成的动态冰层的拉伸粘附强度提出相应的测量；

2)粘附力的大小与材料的形状和尺寸等有关，因此，上述测量方式并不能准确地表示材料表面冰层的拉伸粘附强度；

3)上述拉伸粘附力的测量方式采用机械拉伸的方式，测试过程中是刚性接触，即刚体对刚体，从而容易出现应力集中的情况。

有鉴于此，当前亟需开展动态冰与基底材料界面拉伸粘附强度原位测量装置与方法的研究。

发明内容

本发明的目的在于提供一种材料表面动态冰层拉伸粘附强度的测量装置、系统及方法，部分地解决或缓解现有技术中的上述不足。