專利名稱：一種降低材料表面結(jié)冰附著強(qiáng)度的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及材料表面凍結(jié)結(jié)冰的清理原理和方法。該方法利用水在凍結(jié)時(shí)相變膨脹中產(chǎn)生的應(yīng)變和應(yīng)力，使結(jié)冰附著界面發(fā)生位置的變化，降低表面結(jié)冰附著強(qiáng)度，便于部件表面結(jié)冰的清除。
背景技術(shù)：
部件表面上的結(jié)冰現(xiàn)象會(huì)影響其工作效率、甚至造成安全隱患。如飛行器表面的結(jié)冰，電力輸變電系統(tǒng)上的電力塔架、電纜上的覆冰，車輛底盤上的結(jié)冰積雪等。這些結(jié)冰現(xiàn)象不僅給系統(tǒng)帶來(lái)負(fù)重載荷，甚至造成嚴(yán)重的事故。作為低冷環(huán)境下由于濺水、積水或降雨引起的不可避免的自然現(xiàn)象，部件表面的結(jié)冰問(wèn)題的防治研究受到工程領(lǐng)域技術(shù)人員的關(guān)注。目前，對(duì)于部件表面的結(jié)冰附著問(wèn)題的解決主要以機(jī)械沖擊、加熱融化、化學(xué)融化等被動(dòng)式清理方法為主。此外，近幾年隨著材料科學(xué)的發(fā)展基于涂層方法預(yù)防部件表面的結(jié)冰相關(guān)理論及技術(shù)的報(bào)告常被提及，如專利ZL200710099350.8 (高疏水性防結(jié)冰及防結(jié)霜涂料及其制備方法)，ZJ201010034300.3(防結(jié)冰添加劑及其制備方法)，ZJ200610095802.0 (抗腐蝕防結(jié)冰涂層)，200980105230.1 (疏水蛋白在防止表面結(jié)冰中的應(yīng)用)等等，這些研究通過(guò)在材料表面涂覆防結(jié)冰涂層方法實(shí)現(xiàn)主動(dòng)式預(yù)防目的。但作為持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，且伴隨復(fù)雜的物質(zhì)相變和界面黏附現(xiàn)象，漆涂層的效應(yīng)的耐久性和實(shí)用性方面存在一定缺陷。針對(duì)機(jī)械清除、熱融化等被動(dòng)式方法存在的能耗大、實(shí)施時(shí)間長(zhǎng)等問(wèn)題和以涂層為代表的主動(dòng)式防結(jié)冰技術(shù)存在的 耐久性和工程應(yīng)用中的實(shí)際效果等問(wèn)題，本發(fā)明基于水結(jié)冰過(guò)程中存在的體積膨脹為動(dòng)力，利用特定表面形態(tài)和涂層共同使用的方法，降低結(jié)冰在部件表面的附著強(qiáng)度，最終實(shí)現(xiàn)降低表面結(jié)冰清理難度的目的。試驗(yàn)表明，水結(jié)冰過(guò)程中由于其密度的差異產(chǎn)生體積膨脹現(xiàn)象，其中水相變過(guò)程中的體積膨脹占據(jù)著主導(dǎo)位置。據(jù)測(cè)相變膨脹引起的體積膨脹可達(dá)1.11倍，利用合理的結(jié)構(gòu)形態(tài)使用體積膨脹引起的形變和應(yīng)力是本發(fā)明的思路。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所述的一種降低材料表面結(jié)冰附著強(qiáng)度的方法，目的在于針對(duì)機(jī)械清除、熱融化等被動(dòng)式方法存在的能耗大、實(shí)施時(shí)間長(zhǎng)等問(wèn)題和以涂層為代表的主動(dòng)式防結(jié)冰技術(shù)存在的耐久性和工程應(yīng)用中的實(shí)際效果等問(wèn)題，提供防治和降低部件表面結(jié)冰強(qiáng)度的一種有效、簡(jiǎn)便、持久的技術(shù)原理和方法。本發(fā)明的上述目的通過(guò)以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn):—種降低材料表面結(jié)冰附著強(qiáng)度的方法，利用水在凍結(jié)過(guò)程中相變膨脹產(chǎn)生的應(yīng)力作為動(dòng)力，通過(guò)對(duì)材料表面的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和局部涂層，使其結(jié)冰相變膨脹產(chǎn)生的應(yīng)變和應(yīng)力作用于材料與結(jié)冰黏結(jié)界面，使其界面附著層發(fā)生位移或產(chǎn)生內(nèi)部應(yīng)力集中，最終實(shí)現(xiàn)冰在材料表面附著強(qiáng)度的降低，具體步驟如下:步驟一，在材料表面加工凹陷，所述凹陷在材料表面的分布為分散獨(dú)立的凹坑，或連續(xù)的凹槽、波紋，或是交叉的凹槽、波紋；步驟二，在凹陷結(jié)構(gòu)內(nèi)側(cè)局部噴涂涂層，其作用是通過(guò)隔熱控制凹陷內(nèi)的結(jié)冰規(guī)律，讓凹陷外部水先凍結(jié)，使凹陷內(nèi)部形成封閉邊界，避免相變應(yīng)力應(yīng)變從凹陷開(kāi)口處釋放，實(shí)現(xiàn)凹陷內(nèi)水結(jié)冰膨脹應(yīng)力應(yīng)變約束在凹陷容腔內(nèi)，同時(shí)也降低冰在凹陷內(nèi)材料表面的附著強(qiáng)度，涂層的厚度為0.1 2mm，凹槽內(nèi)部涂層的覆蓋比率為50 100%。步驟一所述凹陷的幾何形狀為從底部至開(kāi)口方向槽寬逐漸增大，在材料表面法向截面為弧形凹坑，或底邊為半圓形的梯形，或底邊為圓弧的漸開(kāi)曲線型。步驟一所述凹陷的表面孔徑或?qū)挾葹镮 10mm，深度為孔徑或槽寬的20 60%。步驟一所述凹陷在材料表面的占據(jù)面積比為30 95%。步驟一中凹陷底部的涂層作用為隔熱，同時(shí)在與膨脹力的作用下影響水與凹陷界面結(jié)合的穩(wěn)定性，破壞材料表面結(jié)冰的不連續(xù)性，降低了冰在材料表面的黏附強(qiáng)度。步驟二所述隔熱涂層是指陶瓷微泡隔熱保溫涂料或空心玻璃粉樹(shù)枝涂料先進(jìn)隔絕傳導(dǎo)型隔熱涂料涂層，或采用導(dǎo)熱系數(shù)小于lW/mXK的涂料涂層。本發(fā)明基于水結(jié)冰過(guò)程中存在的體積膨脹為動(dòng)力，利用特定表面形態(tài)和涂層共同使用的方法，降低結(jié)冰在部件表面的附著強(qiáng)度，最終實(shí)現(xiàn)明顯降低表面結(jié)冰清理難度的效果。發(fā)明公開(kāi)的降低結(jié)冰強(qiáng)度的技術(shù)原理和方法可廣泛的應(yīng)用與所有的部件表面，通過(guò)結(jié)冰自身的膨脹力，引起表面結(jié)冰初期內(nèi)部?jī)鼋Y(jié)界面的缺陷，降低結(jié)冰附著強(qiáng)度。


`圖1發(fā)明方法原理示意圖。圖2表面凹陷形式。圖2 (a)為圓弧凹坑。圖2(b)為連續(xù)多曲線凹坑。圖2 (C)為連續(xù)凹槽。圖2(d)為交叉波紋凹陷。圖中1-工件，2-工件表面，3-凹陷，4-涂層
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖進(jìn)一步說(shuō)明本發(fā)明的具體內(nèi)容及其實(shí)施方式。降低材料表面結(jié)冰附著強(qiáng)度的原理是利用水在凍結(jié)過(guò)程中相變膨脹產(chǎn)生的應(yīng)力作為動(dòng)力，并通過(guò)對(duì)材料表面的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和局部涂層的方法，使其結(jié)冰相變膨脹產(chǎn)生的應(yīng)變和應(yīng)力作用于材料與結(jié)冰界面的切向方向，使其界面附著層發(fā)生位移或產(chǎn)生內(nèi)部應(yīng)力集中，最終實(shí)現(xiàn)材料表面結(jié)冰附著強(qiáng)度的降低。具體方法如下:(I)在工件材料表面加工凹陷形態(tài)。根據(jù)其工況條件和加工工藝條件，可采用獨(dú)立凹坑(圖2 (a))、連續(xù)凹槽(圖2 (C))、連續(xù)交叉凹槽(圖2 (d))等形式；凹槽截面寬度尺寸從底部至開(kāi)口方向保證逐漸變大，其形態(tài)可選擇圓弧、底邊為圓弧的梯形、或底部為圓弧雙邊為漸開(kāi)曲線型。在部件材料表面上的凹陷寬度根據(jù)部件大小和材料特性，凹陷寬度可選擇I 10mm，凹陷的深度為凹陷槽寬20 60%。凹陷在部件表面上的分布根據(jù)其部件上結(jié)冰發(fā)生概率和特征，可選擇均勻分布或不均勻分布，凹陷在部件表面上的占據(jù)面積比為30 95%。部件表面上的凹陷形態(tài)加工根據(jù)其部件材料、形態(tài)等特征可采用鍛造加工，滾壓加工或鉆銑加工。(2)工件表面上凹陷內(nèi)部的隔熱涂層的涂覆。在凹陷內(nèi)涂覆涂層的目的是減緩凹陷內(nèi)部的水通過(guò)凹陷壁面失熱結(jié)冰速率，造成凹陷開(kāi)口處先結(jié)冰把凹陷內(nèi)的水冰封在凹陷內(nèi)，最大限度把凹陷內(nèi)延緩結(jié)冰的水相變應(yīng)力應(yīng)變用于凍結(jié)界面的破壞上。凹陷內(nèi)涂層采用導(dǎo)熱系數(shù)小于lW/mXK的隔熱性涂料涂層，也采用如陶瓷微泡隔熱保溫涂料或空心玻璃粉樹(shù)枝涂料等先進(jìn)隔絕傳導(dǎo)型隔熱涂料涂層。隔熱涂層的涂覆工藝可采用局部單點(diǎn)噴涂(如對(duì)凹陷內(nèi)定位施加涂覆)并烘干,也可采用部件表面整體涂覆后擦拭表面清除凹陷以外的涂料保留凹陷內(nèi)部涂料并烘干。凹陷內(nèi)的涂層厚度為0.1 2mm，覆蓋比率為50 100%。發(fā)明中指出的局部涂層主要作用為隔熱，同時(shí)也有降低結(jié)冰附著強(qiáng)度的目的。涂覆涂層不僅降低熱傳遞，同時(shí)在與膨脹力的共同作用下影響水與凹槽界面結(jié)合的穩(wěn)定性，并引起材料表面結(jié)冰的不連續(xù)性，降低了材料的結(jié)冰附著強(qiáng)度。

發(fā)明公開(kāi)的降低部件材料表面結(jié)冰附著強(qiáng)度的方法作用原理如下:針對(duì)在低溫環(huán)境下工作的部件如車輛底盤上融雪濺射附著的冰雪黏附，電力塔架上由于冰雨引起的覆冰現(xiàn)象，分析其表面結(jié)冰附著分布和厚度等特征；在部件表面施加本發(fā)明公開(kāi)的降低結(jié)冰強(qiáng)度方法，當(dāng)雪水或冰雨濺射吸附到部件表面時(shí)，由于表面的凹陷和涂層存在水在部件表面上的分布厚度不均勻；吸附到表面的水需要通過(guò)部件表面向外失熱凍結(jié)，由于凹陷內(nèi)涂有隔熱涂層凹陷內(nèi)的水的凍結(jié)延遲于外層水凍結(jié)；由于凹陷內(nèi)的水被凹陷口處結(jié)冰冰封，凹陷內(nèi)的水繼續(xù)凍結(jié)過(guò)程中相變膨脹應(yīng)變和應(yīng)力會(huì)作用于凹陷側(cè)壁和冰封上表面，造成凹陷內(nèi)結(jié)冰被吐出與凹陷界面分離或存在內(nèi)部應(yīng)力集中，以及破壞部件外表層結(jié)冰層的連續(xù)性，最終引起部件表面結(jié)冰強(qiáng)度降低目的。實(shí)施例1通過(guò)在材料表加工形狀簡(jiǎn)單的凹陷，其橫截面積形狀關(guān)于凹陷的縱向軸線和橫向軸線對(duì)稱，同時(shí)在凹陷底部涂覆50 100%的防結(jié)冰涂層，其中根據(jù)零部件經(jīng)常發(fā)生結(jié)冰的部位確定凹陷在表面的分布。凹陷類似于四周封閉的容器，當(dāng)材料表面的水分進(jìn)入凹坑內(nèi)并凍結(jié)，凍結(jié)過(guò)程中發(fā)生水的相變膨脹以及冰在溫度變化時(shí)發(fā)生的膨脹，產(chǎn)生膨脹應(yīng)力。由于凹坑截面形狀在縱向和橫向方向均對(duì)稱，凹坑內(nèi)水平方向膨脹力的總和約為零，而凹坑內(nèi)部的冰在法相方向膨脹力的作用下，使水在凹坑表面存在凍結(jié)缺陷，同時(shí)使冰向材料表面移動(dòng)并在頂端產(chǎn)生膨脹凸起，破壞表面結(jié)冰的連續(xù)性，降低了材料的結(jié)冰強(qiáng)度。凹坑底部涂覆的涂層主要是起隔熱作用，阻止凹坑底部水凍結(jié)時(shí)釋放的熱量與材料之間進(jìn)行熱傳遞，同時(shí)在切向膨脹力的作用下，導(dǎo)致冰與凹坑底部界面層產(chǎn)生凍結(jié)缺陷甚至發(fā)生剝離，降低了材料的結(jié)冰強(qiáng)度。實(shí)施例2在工件表面要加工的凹陷形狀可以為圓弧凹坑、連續(xù)多曲線凹坑、連續(xù)的凹槽、連續(xù)的交叉的凹槽或波紋等。根據(jù)實(shí)際工況中部件的結(jié)冰問(wèn)題，凹陷的分布可以是多種形態(tài)和多種規(guī)則分布。部件表面上的防結(jié)冰形態(tài)及涂層的制備可以采用機(jī)械滾壓或鍛造方法在部件表面加工凹陷；涂層的涂敷可以先整體噴涂或浸泡涂料后外表面擦拭的方法去除平面區(qū)域涂層保留凹陷內(nèi)涂層，也可以采用凹陷內(nèi)定位獨(dú)立噴涂的方法。顯然，根據(jù)本發(fā)明公開(kāi)的內(nèi)容及具體實(shí)施例說(shuō)明，在本領(lǐng)域的其他的技術(shù)人員仍能做出其他不同形式的變動(dòng)，公開(kāi)專利說(shuō)明書(shū)中無(wú)法對(duì)所有的實(shí)施方式一一列舉，但由此衍生出來(lái)的顯而易見(jiàn) 的變動(dòng)仍屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍之中。
權(quán)利要求
1.一種降低材料表面結(jié)冰附著強(qiáng)度的方法，其特征在于:利用水在凍結(jié)過(guò)程中相變膨脹產(chǎn)生的應(yīng)力作為動(dòng)力，通過(guò)對(duì)材料表面的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和局部涂層，使其結(jié)冰相變膨脹產(chǎn)生的應(yīng)變和應(yīng)力作用于材料與結(jié)冰黏結(jié)界面，使其界面附著層發(fā)生位移或產(chǎn)生內(nèi)部應(yīng)力集中，最終實(shí)現(xiàn)冰在材料表面附著強(qiáng)度的降低，具體步驟如下: 步驟一，在材料表面加工凹陷，所述凹陷在材料表面的分布為分散獨(dú)立的凹坑，或連續(xù)的凹槽、波紋，或是交叉的凹槽、波紋； 步驟二，在凹陷結(jié)構(gòu)內(nèi)側(cè)局部噴涂涂層，其作用是通過(guò)隔熱控制凹陷內(nèi)的結(jié)冰規(guī)律，讓凹陷外部水先凍結(jié)，使凹陷內(nèi)部形成封閉邊界，避免相變應(yīng)力應(yīng)變從凹陷開(kāi)口處釋放，實(shí)現(xiàn)凹陷內(nèi)水結(jié)冰膨脹應(yīng)力應(yīng)變約束在凹陷容腔內(nèi)，同時(shí)也降低冰在凹陷內(nèi)材料表面的附著強(qiáng)度，涂層的厚度為0.1 2mm，凹槽內(nèi)部涂層的覆蓋比率為50 100%。
2.根據(jù)權(quán)利要求書(shū)I所述的一種降低材料表面結(jié)冰附著強(qiáng)度的方法，其特征在于:步驟一所述凹陷的幾何形狀為從底部至開(kāi)口方向槽寬逐漸增大，在材料表面法向截面為弧形凹坑，或底邊為半圓形的梯形，或底邊為圓弧的漸開(kāi)曲線型。
3.根據(jù)權(quán)利要求書(shū)I所述的一種降低材料表面結(jié)冰附著強(qiáng)度的方法，其特征在于:步驟一所述凹陷的表面孔徑或?qū)挾葹镮 10mm，深度為孔徑或槽寬的20 60%。
4.根據(jù)權(quán)利要求書(shū)I所述的一種降低材料表面結(jié)冰附著強(qiáng)度的方法，其特征在于 驟一所述凹陷在材料表面的占據(jù)面積比為30 95%。
5.根據(jù)權(quán)利要求書(shū)I所述的一種降低材料表面結(jié)冰附著強(qiáng)度的方法，其特征在于:驟一所述凹陷底部的涂層作用為隔熱，同時(shí)在與膨脹力的作用下影響水與凹陷界面結(jié)合的穩(wěn)定性，破壞材料表面結(jié)冰 的不連續(xù)性，降低了冰在材料表面的黏附強(qiáng)度。
6.根據(jù)權(quán)利要求書(shū)I所述的一種降低材料表面結(jié)冰附著強(qiáng)度的方法，其特征在于:步驟二所述隔熱涂層是指陶瓷微泡隔熱保溫涂料或空心玻璃粉樹(shù)枝涂料先進(jìn)隔絕傳導(dǎo)型隔熱涂料涂層，或采用導(dǎo)熱系數(shù)小于lW/mXK的涂料涂層。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種降低材料表面結(jié)冰附著強(qiáng)度的方法。利用水在凍結(jié)過(guò)程中相變膨脹產(chǎn)生的應(yīng)力作為動(dòng)力，通過(guò)對(duì)材料表面的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和局部涂層，使其結(jié)冰相變膨脹產(chǎn)生的應(yīng)變和應(yīng)力作用于材料與結(jié)冰黏結(jié)界面，使其界面附著層發(fā)生位移或產(chǎn)生內(nèi)部應(yīng)力集中，最終實(shí)現(xiàn)冰在材料表面附著強(qiáng)度的降低，具體步驟如下步驟一，在材料表面加工凹陷，所述凹陷在材料表面的分布為分散獨(dú)立的凹坑，或連續(xù)的凹槽、波紋，或是交叉的凹槽、波紋；步驟二，在凹陷結(jié)構(gòu)內(nèi)側(cè)局部噴涂涂層。發(fā)明的降低結(jié)冰強(qiáng)度的技術(shù)原理和方法可廣泛的應(yīng)用與所有的部件表面，通過(guò)結(jié)冰自身的膨脹力，引起表面結(jié)冰初期內(nèi)部?jī)鼋Y(jié)界面的缺陷，降低結(jié)冰附著強(qiáng)度。
文檔編號(hào)C09D5/00GK103073936SQ20131001500
公開(kāi)日2013年5月1日 申請(qǐng)日期2013年1月15日 優(yōu)先權(quán)日2013年1月15日
發(fā)明者金敬福, 陳廷坤, 齊迎春, 李微微, 曹敏, 李亞卓, 田為軍, 叢茜 申請(qǐng)人:吉林大學(xué)