【《疏水涂层覆冰粘附力实验测试案例分析》4000字】

疏水涂层覆冰粘附力实验测试案例分析目录TOC\o"1-3"\h\u10855疏水涂层覆冰粘附力实验测试案例分析 1153101.1实验条件及步骤 1216381.2平面试样覆冰粘附冻结力实验结果及分析 2261161.3曲面钢管覆冰粘附冻结力实验结果及分析 51.1实验条件及步骤由于本文是研究疏水涂层在基地冰层钻进的适用性，考虑极地冰层现场环境温度，本实验在可调节温度的低温集装箱内进行，实验室的调温范围为-30℃-0℃，集装箱门外设置了可视化调温且实时显示温度的控制箱，当集装箱内部温度不符合设定值时，其控温系统会立即工作直到集装箱内温度达到设定值。实验前期阶段，发现对实验结果有影响的因素有：集装箱环境温度；实验台、试样及水杯套筒的温度；蒸馏水的温度等。实验过程中，为防止以上因素带来的影响，实验详细顺序如下所述：首先，调节低温集装箱的温度到所需的实验温度，待温度保持不变后，将实验器材置于集装箱内一定时间使之达到设定环境温度，减少前文所述对实验结果影响因素所带来的影响。实验时需要对各实验设备用脱脂棉进行清洁，避免油渍、灰尘等杂物对实验结果带来影响。冰内气泡含量过多时对冰的物理力学性质有一定的影响，因此要减少蒸馏水内的气体，需提前将蒸馏水反复烧开，而后置于低温集装箱内预冷到冰水混合物状态，防止水温对实验结果产生影响。实验过程中，利用40ml注射器将预冷至冰水混合物状态的蒸馏水注入水杯内，由于各项实验器具均预冷完成，故蒸馏水接触试样时迅速结冰，因此水杯与试样底部即使不做密封，蒸馏水也不会从水杯与试样接触部位漏出。注好蒸馏水后，静置数小时后，直到冻冰过程结束即可进行。水杯冻冰结束后，测试不同方向的覆冰粘附冻结力时，需要在实验台不同位置处分别固定平面钢板和曲面钢管，保证在实验过程中卡扣牢固，避免测试过程中位置有所变动，具体固定位置如前文所述。试样固定完成后，控制电动推杆通过滑轨带动拉力计滑动，进行试样剪切方向覆冰黏附冻结力时，将实验台水平放置，推拉力计固定在水平推杆上，操控推杆带动推拉力计运行，对准水杯的中心进行推力测试；进行试样法向覆冰黏附冻结力时，将实验台竖直放置，利用拉力计的挂钩与水杯盖连接，操控电动推杆运行对试样进行拉动测试。由于要测试水杯中的冰与试样分离时的最大的力，所以设置推拉力计为峰值模式，记录拉断或推断冰的最大的力，重复试验5次，此数值与水杯底部面积的比值即为覆冰粘附冻结力，对粘附力数值求取平均值以及作误差分析曲线。实验完成后，冰在少数试样表面有残留，利用自然温度融冰，即将试样取出置于低温集装箱外部常温隔间，进行除冰，避免了对涂层表面产生影响。待冰彻底融化后，利用脱脂棉将实验器材擦拭干净，而后置于低温集装箱冷却至环境温度，进行下一次实验。参考陈卓[38]测试疏水涂层性能的实验，实验所用的不锈钢器材在低温集装箱内至少预冷6小时，水杯里的水冻冰时间至少4小时，因此本文所用的实验台、试样及水杯在低温集装箱内预冷6小时，冻冰时间4小时。本实验直接测出的力需除以水杯的底部表面积才得到覆冰粘附冻结力P，计算公式如下：（1.1）上式中，P为覆冰粘附冻结力，kPa；F为推拉力计记录的峰值，N；S为水杯底部的表面积，m2。对曲面钢管，S为曲面水杯底表面积，利用定积分对其进行计算，计算公式如下：（1.3）上式中，S1为曲面水杯底表面积，m2；R1为曲面水杯大圆半径，m；r为曲面水杯小圆半径，m。对平面试样钢板，S为平面水杯底底面积，计算公式如下：（1.2）式中，S2为平面水杯底面积，m2；R2为平面水杯内半径，m。带入具体数值计算得出，R1=0.063.5m，r=0.03m，R2=0.03m，因此S1=2.914×10-3m2，S2=2.827×10-3m2。1.2平面试样覆冰粘附冻结力实验结果及分析如前所述，实验所需器材需预冷6小时，冻冰4小时，本实验选择-10℃、-15℃、-20℃、-25℃以及-30℃五个温度作为环境温度来测试覆冰法向粘附冻结力和剪切方向粘附冻结力，对于平面钢板和曲面钢管，每个温度下的覆冰法向和剪切方向冻结力重复测试5次，对5个实验数据求平均值并作图分析，平面试样即钢板的覆冰法向粘附冻结力实验结果数据如表3.2所示，将表3.2中的数据通过粘附力计算公式得出的粘附冻结力绘制成图如图3.5所示，其中1、2、3、4、5和6分别代表无涂料、涂料A、涂料B、涂料C、涂料D和涂料E，下列所有曲线图均如此。由图3.5可知，五种涂层在降低试样表面覆冰粘附冻结力方面均有有效成果，且随着温度的降低，降低的程度越大。例如在-10℃的条件下，无涂层平面钢板的覆冰粘附冻结力数值约为9.65kPa，而涂层A、B、C、D、E对应的钢板上覆冰法向粘附冻结力分别为4.95kPa、5.54kPa、7.72kPa、9.41kPa和7.17kPa，分别降低了48.7%、42.6%、20.00%、2.5%和25.7%。但是在-30℃的条件下，对照钢板基底的法向覆冰粘附冻结力约为14.01kPa，而涂层A、B、C、D、E对应钢板基底上覆冰法向粘附冻结力分别为11.5kPa、10.77kPa、7.72kPa、3.3kPa和1.81kPa，分别降低了17.9%、23.1%、44.90%、76.4%和87.08%。其余三个环境温度覆冰粘附冻结力规律与上述相同。由表中实验数据和所做曲线图趋势可知，涂层E降低覆冰粘附冻结力效果最优，涂层D次之，涂层A、B、C较差。表3.2平面钢板法向力（单位：N）实验温度无涂料涂料A涂料B涂料C涂料D涂料E-10℃109.165662.6587.32106.481.08-15℃112.4880.675.485.569667.73-20℃117.5298.6579.42586.2662.7539.09-25℃132.3799.875106.5586.5942.323.78-30℃158.43130.625121.77587.3337.27520.48图3.5平面钢板法向粘附冻结力与温度变化关系在剪切方向覆冰粘附冻结力方面，其分布趋势与法向覆冰粘附冻结力分布趋势类似，而剪切方向覆冰粘附冻结力较大。其实验结果数据如表3.3所示，类比上述计算方法绘制实验结果如图3.6所示。在温度为-30℃时，无涂层平面钢板的覆冰剪切方向粘附冻结力数值约为36.65kPa，五种涂层A、B、C、D和E上覆冰剪切方向粘附冻结力分别为30.62kPa、18.35kPa、13.24kPa、13.28kPa和1.03kPa，相对无涂层平面钢板分别降低了16.45%、49.93%、63.87%、63.86%和97.19%；当温度为在-10℃时，无涂层平面钢板的覆冰剪切方向粘附冻结力数值约为13.76kPa，五种涂层A、B、C、D和E上覆冰剪切方向粘附冻结力分别为17.01kPa、14.64kPa、5.37kPa、9.09kPa和5.47kPa，相对无涂层平面钢板分别降低了-23.62%、6.4%、60.97%、33.94%和60.25%，相较于法向降低幅度较大。并且可以得知，随着温度的升高，其降低覆冰粘附冻结力的效果会降低。由表3.3可知另外三个环境温度下的规律大致相同，因此由数据和曲线可知，涂层剪切方向防覆冰效果，为涂层E效果最佳，涂层D效果次之，涂层A、B、C效果最差。表3.3平面钢板剪切方向力（单位：N）实验温度无涂料涂料A涂料B涂料C涂料D涂料E-10℃155.58192.35165.560.78102.861.83-15℃267.56178.9195.275105.38196.6567.9-20℃330.1235.75198.775111.23176.431.03-25℃373.78306.05197.225134.9171.758.86-30℃435.6363.875218.15187.65157.855.69图3.5平面钢板剪切方向粘附冻结力与温度变化关系由上述实验数据和曲线图可知，对于冰的粘附冻结力而言，环境温度是主要的影响因素。针对无涂层不锈钢钢板、涂层A、涂层B和涂层C，其覆冰粘附冻结力会随着温度的降低呈现增大的趋势。ZaidA.Janjua[81]也做过实验并验证了环境温度对覆冰粘附冻结力存在较大的影响。覆冰粘附冻结力随着温度降低而增大的原因可能是材料表面能增大，冰的粘结强度会随着材料表面能的增大而增大，因此冰的粘附冻结力会呈现增大的趋势。然而与此规律相反的涂层D和涂层E，其覆冰粘附冻结力会随着温度的降低呈现降低的趋势，并且降低的幅度较大，仅需很小的力即可清除冻结在钢板上的冰。可能是因为当环境温度降低时，水的结冰速度会变快，导致其形态一直为Cassie形态，由于水未渗入或渗入量小于涂层的表面粗糙结构内，那么水和涂层两者之间存在大量空气，冰与涂料表面的有效接触面积减小，因此覆冰粘附冻结力降低。1.3曲面钢管覆冰粘附冻结力实验结果及分析进行曲面试样钢管的实验测试，其方法和过程与平面钢板一致，其数据计算方法如公式（1.2）所示。对钢管进行测试，其法向力实验数据如表3.4所示，剪切方向力实验数据如表3.5所示，通过公式（1.3）计算覆冰粘附冻结力后绘制成图如图3.6和3.7所示。在曲面钢管覆冰法向粘附冻结力方面，根据实验数据和曲线图可知，当温度为-30℃时，无涂层曲面钢管覆冰法向冻结力与无涂层平面钢板相比增大了16.18倍，当温度为-10℃的条件下，无涂层曲面钢管覆冰法向冻结力与无涂层平面钢板相比增大了11.94倍；在曲面钢管覆冰剪切方向粘附冻结力方面，根据实验数据和曲线图可知，当温度为-30℃时，无涂层曲面钢管覆冰剪切方向冻结力与无涂层平面钢板相比增大了4.97倍，当温度为-10℃的条件下，无涂层曲面钢管覆冰剪切方向冻结力与无涂层平面钢板相比增大了8.92倍。出现该现象的原因是曲面上受力方向与平面显著不同，曲面钢管表面上冻冰条件复杂，测得的力是在曲面上，方向多变，但是平面钢板表面上的力均垂直于平面。曲面钢管测得的覆冰粘附冻结力虽然较大，但是涂层降低覆冰粘附冻结强度的效果依然保持的较好。表3.4曲面钢管法向力（单位：N）实验温度无涂料涂料A涂料B涂料C涂料D涂料E-10℃335.68184.175178.6132.09245.475128.82-15℃381.88200200.75205.1232.462.97-20℃508.53257206.35201.93144.8527.13-25℃541.165.175224.325187.2115.814.15-30℃660.62472.725263.35230.1198.8512.8图3.6曲面钢管法向粘附冻结力与温度变化关系当环境温度为-10℃时，五种涂层A、B、C、D、E的曲面钢管法向覆冰粘附冻结力分别为63.21kPa、61.29kPa、45.33kPa、84.24kPa和44.21kPa，与无涂层曲面钢管相比分别降低了45.13%、46.8%、60.65%、26.88%和61.62%；当环境温度为-30℃时，五种涂层A、B、C、D、E的曲面钢管法向覆冰粘附冻结力分别为162.21kPa、90.36kPa、69.24kPa、33.92kPa和4.39kPa，与无涂层曲面钢管相比分别降低了28.44%、60.14%、43.58%、85.04%和98.06%。由实验数据表和曲线图可知，另外三个温度变化趋势与此类似，可知五种涂层均可有效较低覆冰法向粘附冻结力，且效果相较于平面钢板更为突出。并且涂层E效果最佳，涂层D次之，涂层A、B、C效果较差。表3.5曲面钢管剪切方向力（单位：N）实验温度无涂料涂料A涂料B涂料C涂料D涂料E-10℃357.6188.25301.075201.75315.7162.48-15℃381.86306.35214.675217.1224.175143.15-20℃468.98372.925223.425231.63198.875125.27-25℃513.54515.425261.575196.16171.4537.23-30℃530.77623.275348.725231.15138.52520.43图3.7曲面钢管剪切方向粘附冻结力与温度变化关系当环境温度为-10℃时，五种涂层A、B、C、D、E对应的曲面钢管测得的覆冰剪切方向粘附冻结力分别为64.61kPa、103.33k