[发明专利]一种制备非冻结模型冰的人工引晶方法

说明书

本发明涉及一种制备非冻结模型冰的人工引晶方法，步骤如下：以石蜡为基材，加热形成液态石蜡，向液态石蜡中加入石膏粉、石英粉和硅粉，得到石蜡混合溶液；将玻璃纤维由上盖板各孔穿过，穿过长度与拟制备模型冰的柱状晶层厚度相同，玻璃纤维与模具底板间距和模型冰的粒状晶层厚度相同；将连接好玻璃纤维的上盖板放在低温环境下冷冻，并保证各根玻璃纤维相互平行且垂直于上盖板；将石蜡混合物溶液缓慢倒入模具中，把冷冻状态下的玻璃纤维和上盖板加盖在模具表面；液态石蜡混合物溶液在低温玻璃纤维表面迅速结晶固化，形成类似柱状的晶体结构，此时，静置模具直至全部石蜡溶液冷却凝固；制得基于人工引晶方法的非冻结模型冰。

技术领域

本发明属于涉高寒地区工程技术领域，涉及一种模拟高寒地区海冰的非冻结模型冰生成和制备方法。

背景技术

冰力学与冰工程学模型试验常同时具备流体模型试验和材料模型试验的特点。其中，材料模型试验要求模型材料与原型材料的物理力学性质满足模型比尺要求，从而保证模型材料的破坏模式和表现出来的力学性质具有相似性和可还原性。在冰力学模型试验中，就要求制备的模型冰与天然海冰的物理力学性质相似。

海冰是一种力学性质十分复杂的材料，海冰的晶体结构特征是由其结晶生长过程决定的。当海水温度降至零度以下，首先以水中杂质颗粒或降雪小冰晶体为结晶核，在其周围逐渐结晶生长，形成小冰针。随着小冰针体积增大，浮力增大，逐渐漂浮至水面附近。开敞海面会有因波浪、海流、风等引起较剧烈的水体扰动，在这种环境条件下冰晶体的生长方向是随机的，冰晶体逐渐生长联结，最终形成冰晶体基面和C轴(垂直于冰晶体基面的轴)方向随机分布的粒状冰层。在水面冷空气和粒状层下较温暖水体形成的温度梯度下，冰晶体沿温度梯度方向迅速生长，形成柱状纹理结构。而在水平方向上，在没有方向较固定的海流影响下，冰晶体C轴方向随机分布，从而形成了柱状冰层。与表面粒状冰层相比，柱状冰层生长速度较快，是海冰的主要成分。海冰在冻结过程中，内部总会混有气泡、卤水、裂纹等缺陷结构。冰晶体内部的连接强度要远大于晶体间的连接强度，因此，这些缺陷结构常在冰晶体之间区域分布，从而形成了沿柱状纹理的分布特征。

目前国际冰力学与冰工程学界在模型试验中使用的模型冰材料主要分为低温冻结模型冰和非冻结模型冰两类。其中，低温冻结模型冰是各低温拖曳冰水池实验室使用的主要模型冰类型。各冰水池通过不同的技术手段在实验室内模拟天然海冰的形成过程，从而制备出晶体结构与天然海冰相似的低温冻结模型冰，进而保证其宏观力学性质与天然海冰相似。非冻结模型冰与低温冻结模型冰相比，力学性质对环境温度不敏感，可适用于更广泛的试验场景。同时，非冻结模型冰还具有制备周期短、制作成本低、可批量生产等优点。

国外自上世纪70年代起，开发了一系列非冻结模型冰制备技术。1971年，英国Hovacraft公司以石蜡为基材，通过加热融化配置混合物溶液，经冷却凝固得到非冻结模型冰。1975年，Tryde以熟石膏、塑料细粒、盐、硼砂和水为主要原料，加热形成混合物溶液，经冷却制得与天然海冰密度相近的非冻结模型冰。1978年，加拿大学者Michel使用以石蜡和油为主要成分的混合物，通过加热溶解再冷却凝固的工艺流程，制得性能与Tryde模型冰相近的非冻结模型冰。1984年，Schultz和Free使用类似于英国Hovacraft公司的制备工艺流程，将加热后得到的聚乙烯粉、聚乙烯粒、重植物油、轻植物油和硬脂酸混合物溶液倒至水面冷却凝固，制得一种MOD非冻结模型冰。1990年，Beltao等将PVC脂、水泥、熟石膏、玻璃小球和水加热配置成溶液，冷却凝固得到一种SYG非冻结模型冰。国内在上世纪90年代末，也开始了非冻结模型冰制备技术的研发。2001年，大连理工大学的李志军等将聚丙烯粒、白水泥和水混合搅拌、铸模、养生，制成DUT-1非冻结模型冰。2017年，哈尔滨工程大学的骆婉珍等加热石蜡和聚苯乙烯泡沫形成混合物溶液，冷却后得到非冻结模型冰，并用于螺旋桨切冰试验。