【《冰粘附力实验设计案例分析》3600字】

冰粘附力实验设计案例分析目录TOC\o"1-3"\h\u23106冰粘附力实验设计案例分析 136341.1疏水涂层疏水原理及影响因素 1233661.2疏水涂层材料的优选 2114101.3覆冰粘附力实验台 4300871.3.1实验原理及方案 4288701.3.2实验台的设计 51.1疏水涂层疏水原理及影响因素对于固体材料而言，通常用水滴在固体材料表面的浸润程度来判别其疏水性能的优劣，根据水滴浸润程度的不同，可以将固体材料表面分为亲水性表面和疏水性表面，水滴在固体材料表面的接触角是衡量水滴浸润程度的量化指标，接触角是在空气、固体表面和水滴三相交点做与水滴相切的线，此线与固体表面和水滴的接触面的夹角θ，此角度示意图如图1.1所示。对于疏水涂层而言，水接触角不仅直观表明了水滴在其表面的浸润程度，也是衡量其疏水性能的重要指标。水滴接触角越大，表明水滴与固体材料表面的接触面积越小，即疏水涂层的疏水性能越好，一般接触角大于90°时即可认为该涂层具备疏水性能，当接触角大于150°时，可认为该涂层具备超疏水性能。图1.1水接触角平面示意图Wenzel[31]认为液滴与固体表面不是完全接触，并且提出由于表面粗糙度不同，液滴与固体表面实际接触面积也不同，如图3.1（a）所示。Cassie和Baxter[32]提出了Cassie-Baxter模型，该模型认为液滴与固体粗糙表面由于气体的存在并不完全接触，如图3.1（b）所示。（a）Wenzel水滴形态（b）Cassie-Baxter水滴形态图1.2水滴在疏水涂层表面的存在形态疏水/超疏水涂层由于其与水滴浸润程度小，水滴与涂层表面的接触面积小，水滴在该表面结冰后的粘结强度小，结冰时呈现Cassie-Baxter形态，使得涂层表面的冰易于去除，故可以在极地冰钻领域可以发挥良好的防覆冰效果。将疏水/超疏水涂层应用到极地冰层钻进中的主要原因是将涂层涂敷在钻具表面后，降低了与冰的粘结强度，迫使冰在较小的力作用下离开钻具表面，减小冰屑在钻具表面重复冻结的可能性。为解决极地冰层钻进过程中发生卡钻等钻进事故，本文探讨了疏水涂层对于降低覆冰粘附冻结力的程度，判断将其运用在极地冰层钻具的可能性。然而在疏水/超疏水涂层表面，影响其防覆冰粘附强度的因素至今没有特别明朗的认识，可能影响的因素主要有表面能、表面粗糙度以及分子间作用力三个方面[33]。有相关理论指出，对于固体材料，表面能较低的材料相较于表面能较高的材料其疏水性能反而更佳，即冰在其表面的粘附强度更低。材料的表面粗糙度对覆冰粘附强度也有一定的影响，此影响是相对而言的，对于疏水表面，材料表面的覆冰粘附强度与表面粗糙度呈反比关；对亲水表面，则是呈正比关系。对于分子间作用力而言，材料表面的覆冰粘附强度与分子间作用力呈正相关，由上述表述可知，不考虑表面粗糙度的影响时，材料的表面能越低，分子间作用力越小，其防覆冰效果越好。1.2疏水涂层材料的优选由上述影响防覆冰粘附强度的因素可知，材料的表面能越低，分子间作用力越小，其疏水性能越好，防覆冰粘附强度越高。因此本文优选符合此条件的疏水涂料，目前采用的材料多为氟基和硅基。氟基材料由于氟原子吸电子能力强，所以其表面能较低[34]，全氟烷基的表面能仅为10mN/m。故将氟基用于疏水涂层可以降低覆冰粘附强度，并且已经有多个学者实验验证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，但是有学者Muras[35]经过研究发现，水与硅基之间的分子作用力相对于水与氟基之间的分子作用力降低了数倍，在1.1表述中可知，分子间作用力越低，材料表面的覆冰粘附强度越低，因此硅基材料也可以大幅降低冰在表面的粘附强度。经过研究发现，将硅基与氟基两种基团接入到同一材料中时，此材料的疏水性能有了较大提升并且该材料在一定程度上可以疏油。根据涂层的疏水原理及疏水性能影响因素，选取了五种可能运用于极地冰层钻具的疏水涂料，为了探究将其运用于极地冰层钻探的可能性，并且保证实验数据的可靠，本文采用钢管代替真实钻进过程中的圆形部件，采用钢片代替钻具中的平面部件，所有试样均采用不锈钢材料。选用五种涂层的特点如下：(1)由于极地环境温度较低，所以涂层材料首先要耐低温且性能良好稳定；(2)防覆冰效果优异，参考影响疏水涂料性能的因素来选择防覆冰效果优异的疏水涂层；(3)可涂敷于金属表面，本文选择的试样材料均为304不锈钢，因此本文选择的疏水涂层需均匀牢固涂敷在不锈钢表面，同时能在不锈钢表面发挥良好的疏水性能和防覆冰性能；(4)考虑到极地现场环境较为恶劣，因此涂层的施工方法要尽可能简单，维护方法也应简单有效，防止由于涂层磨损失效后多次提钻更新涂层而提高非钻进时间，降低钻进效率；(5)由于极地冰层钻进过程中，钻具会受到来自多方面的摩擦，因此涂层的耐摩寿命要高。本文选用的五种涂层的主要成分为硅烷共聚物、氟类共聚物、硅基乳液、氟类与硅类共聚物和丙烯酸/全氟乙烯共聚物，五种涂层的具体信息如下表1.1所示，五种涂料的施工方式均为简单涂敷或者简单烘烤，用脱脂棉擦拭在试样表面即可。表1.1本文所用五种涂层基本信息涂层序号序号主要原料生产厂家AM1502硅烷共聚物深圳市派旗纳米技术有限公司B镀晶液氟类共聚物东莞市氟王新材料有限公司CZXL-DS-01硅基乳液莱阳子西莱环保科技有限公司DDS102氟类与硅类共聚物东莞市德圣龙涂料有限公司EDS-200丙烯酸全氟乙烯共聚物东莞德圣龙涂料有限公司1.3覆冰粘附力实验台1.3.1实验原理及方案本文要探究五种涂层均匀涂敷在不锈钢表面的防覆冰性能，检测将其应用在极地冰层钻进中的可能性，并优选出较为适用的涂层。由于模拟极地冰层钻进环境的温度条件，故实验在低温冷冻室内进行。参考多个学者测试覆冰粘附力实验设备[36-37]，自主设计测试实验台，实验原理如图1.3所示。如前所述，采用不锈钢钢板和不锈钢钢管代替钻具进行实验，通过两种不锈钢水杯分别在钢板和钢管上冻冰，采用拉力计来测试覆冰粘附力大小。具体测试方法为：将实验所用的材料置于低温冷冻室内预冷，为保证实验数据有可靠，将底部形状为平面和曲面的水杯分别摆放于平面钢板和曲面钢管的固定位置处，利用注射器向水杯内注射一定体积预冷过的蒸馏水，静置于低温冷冻箱内直至牢固冻冰，通过拉力计将水杯与钢板或者钢管分离，拉力计的峰值与水杯和试样接触面积的比值即为粘附应力值。本文设计了两个方向的冻冰粘附力测试，分别为法向和剪切方向，对于平面试样钢板和曲面试样钢管，其测试原理如图1.3的（a）和（b）所示。

（a）钢板试样（b）钢管试样 图1.3实验原理图1.3.2实验台的设计根据本实验的目的和实验原理图，创新了已有实验台，并对其进行加工，实验试样材料均为304号钢，平面试样与平面水杯配套使用，曲面试样和曲面水杯配套使用，试样的图纸如图1.4和图1.5所示，实物图如图1.6所示，平面水杯和曲面水杯图纸如图1.7和图1.8所示，实物图如图1.9所示，其中平面试样钢板的尺寸为长为200mm，宽为92mm，厚为5mm；曲面试样钢管的尺寸为内径为117mm，长为200mm，厚为5mm；水杯的尺寸为外径为66mm，厚为3mm。所有实验器材均进行抛光处理，保证其表面光洁度，防止表面粗糙度对实验带来误差。平面钢板和曲面钢管两侧设计凹槽，用于固定在实验台上，防止实验过程中两种试样滑动，影响实验数据的可靠。图1.4平面钢板工程图 图1.5曲面钢管工程图图1.6平面钢板和曲面钢管实物图图1.7平面水杯工程图图1.8曲面水杯工程图图1.9水杯和杯盖实物图本实验设计了两个方向的力即法向力和剪切方向力来验证疏水涂层的防覆冰性能，故设计了通过改变试样的固定位置来实现可以同时测试法向力和剪切方向力的实验台，进行法向力测试时，为保证力的方向垂直试样且大小不变，设计了竖直方向的导轨以及电动推杆；进行剪切方向力测试时，为保证力的方向平行于试样且大小不变，设计了水平方向的导轨及电动推杆。电动推杆可以保证拉力计匀速行驶。根据以上描述设计出本文所需的实验台，实验台如图1.10所示，主要由底座架、导轨、推拉力计、电动推杆等组成。进行平面钢板和曲面钢管剪切方向力测试时，将实验台水平放置，通过螺栓将拉力计固定在水平导轨的滑块上，滑块在导轨上带动拉力计匀速移动，实现剪切方向力平行于试样且大小不变，试样在实验台上的固定位置如图1.10（a，b）所示，利用实心不锈钢圆杆将钢管固定于图示位置；进行平面钢板和曲面钢管法向力测试时，实验台竖直放置，水平导轨、滑块以及拉力计共同固定在竖直导轨上，水平导轨在竖直导轨上可以匀速移动以确保法向力垂直于试样且大小不变，试样在实验台上的固定位置如图1.10（c，d）所示，利用卡槽将平面钢板和曲面钢管固定在图示位置。实验时分别将水杯固定在试样上，杯盖与水杯通过螺纹连接，注水冻冰完成后，通过杯盖上端的拉环与拉力计相连进行覆冰粘附力的测试。（a）测试曲面钢管法向力原理图（b）测试曲面钢管法向力实物图（c）测试曲面钢管剪切方向力原理图（d）测试曲面钢管剪切方向力实物图图1.10实验台实物图本文所用电动推杆相关信息如表1.2所示，实物图如图1.11所示；拉力计相关信息如表1.3所示，实