表面粗糙度對(duì)冰凍黏強(qiáng)度影響試驗(yàn)研究

丁金波，董 威

（上海交通大學(xué)機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院，上海 200240）

0 引言

低溫環(huán)境下飛機(jī)表面積冰和霜層凍黏附著現(xiàn)象，嚴(yán)重影響飛機(jī)運(yùn)行效率和安全性[1-3]。早在20世紀(jì)20年代飛機(jī)誕生之初，就開(kāi)始關(guān)注并研究冰凍黏現(xiàn)象。冰與飛機(jī)部件表面的黏附是靜力（機(jī)械作用力）、分子間作用力、化學(xué)鍵力等多種因素的組合[4]，黏附強(qiáng)度是由界面冰層的特性決定，受到溫度、含水量、凍結(jié)速率、材料特性和表面形態(tài)等因素的影響，加之在凍黏過(guò)程中分子接觸不良造成黏結(jié)面上留有微孔缺陷，實(shí)際黏附面積難以計(jì)算，同時(shí)受界面殘余熱應(yīng)力和收縮應(yīng)力影響，而現(xiàn)有理論模型和計(jì)算方法所得結(jié)果往往遠(yuǎn)大于實(shí)際凍黏強(qiáng)度[5-8]。

本文基于凍黏的基本理論，通過(guò)試驗(yàn)方法研究在不同結(jié)冰環(huán)境下的不同表面粗糙度時(shí)的冰凍黏強(qiáng)度。

1 凍黏模型和理論概述

圖1 界面凝液流動(dòng)層模型

冰是水在低溫下的凝固態(tài)，在低于0℃的不同溫度段表現(xiàn)出不同的狀態(tài)，冰的形成環(huán)境及冰型是影響凍黏的重要因素。Jellinek[9]根據(jù)試驗(yàn)建立了固體表面與冰層界面上的凝液體（高黏度液體）流動(dòng)模型，如圖1所示。溫度＞-10℃時(shí)會(huì)出現(xiàn)表面“流動(dòng)”現(xiàn)象，此狀態(tài)的冰稱為熱冰[10]，隨著溫度降低，凝液體中的水分逐漸凝結(jié)，固態(tài)化加劇，同時(shí)濕空氣中水分析出，與材料表面黏附增強(qiáng)，溫度降到一定時(shí)，界面系統(tǒng)內(nèi)部和外部再無(wú)更多的水補(bǔ)充，界面達(dá)到平衡，繼續(xù)降溫并不會(huì)對(duì)黏附強(qiáng)度產(chǎn)生太大影響。材料是結(jié)冰和凍黏的另一主體，研究表明[11]，材料的表面特性和熱特性對(duì)結(jié)冰及其黏附效應(yīng)影響很大。在材料表面的諸多特征中，其濕潤(rùn)性和粗糙度對(duì)凍黏的影響較大[5]。濕潤(rùn)性是反映液體對(duì)固體表面的親和度，由二者的黏附力以及各自的內(nèi)聚力決定，黏附力促使液滴在表面鋪展，而內(nèi)聚力則促使液滴保持球狀，并避免與表面更多地接觸。根據(jù)液體間接觸角不同，分為完全濕潤(rùn)、濕潤(rùn)和附著濕潤(rùn)，如圖2所示。

圖2 接觸角

從圖2中可見(jiàn)，接觸角越小，液滴鋪展趨勢(shì)越強(qiáng)；接觸面積越大，液體與固體表面的黏附力越強(qiáng)。表面粗糙度變化會(huì)引起濕潤(rùn)性變化和凍黏界面狀態(tài)，從而影響凍黏強(qiáng)度。根據(jù)Wenzel[12]模型，有

式中：θ*為實(shí)際接觸角；θ為理想接觸角，也稱Young氏接觸角；rf為表面粗糙度比，定義為真實(shí)固體的表面積與表觀面積之比。

從式（1）可見(jiàn)，對(duì)親水性材料（θ＜90°）來(lái)說(shuō)，rf增大將導(dǎo)致θ*減小，改善表面濕潤(rùn)性，濕潤(rùn)更好，水滴更容易在表面鋪展，濕潤(rùn)能增加，凍黏強(qiáng)度增大；對(duì)憎水材料(θ＞90°)則恰好相反。一方面，金屬材料大多是親水性的，冰與表面的黏附力隨粗糙度增加而有所增大；同時(shí)，根據(jù)機(jī)械聯(lián)結(jié)理論，粗糙度增加使凍黏界面形成更多的“銷釘”，冰與材料表面聯(lián)結(jié)更加牢固。然而，過(guò)于粗糙的表面也不能被很好地浸潤(rùn)，且表面有較多的凹坑和溝壑等缺陷，在結(jié)冰時(shí)，容易在這些部位吸附氣體分子或其他雜質(zhì)，形成含空泡、氣穴的凍黏界面或弱邊界層界面，減小實(shí)際凍黏面積同時(shí)應(yīng)力集中點(diǎn)增多，降低了冰的黏附強(qiáng)度。另一方面，在光滑表面凍結(jié)時(shí)，界面水分子排列整齊，材料表面對(duì)冰界面的“割裂”較少，形成的冰晶體顆粒大，晶格間的位錯(cuò)少，晶體內(nèi)部排列規(guī)整、應(yīng)力小，易形成大塊晶粒，界面自由能更低，界面更穩(wěn)定，兩相間的接觸更加緊密，根據(jù)化學(xué)黏附理論，界面間的化學(xué)鍵合力可能增大，阻止斷裂時(shí)冰分子在界面上的相對(duì)滑動(dòng)，宏觀上表現(xiàn)為黏附力增大[13-15]。因此，表面粗糙度對(duì)冰黏附的影響復(fù)雜，目前尚沒(méi)有很好的理論預(yù)測(cè)模型。

本文通過(guò)大量試驗(yàn)，測(cè)試了常用金屬材料鋁、銅在不同凍結(jié)溫度下、不同表面粗糙度時(shí)的法向和切向凍黏系數(shù)（c），即單位面積黏附力大小。

式中：Fσ、Fτ分別為法向力和切向力；S為黏附面積。

2 試驗(yàn)方法

2.1 試驗(yàn)設(shè)備

試驗(yàn)設(shè)備包括冰箱、試驗(yàn)臺(tái)架、拉力計(jì)、鋼絲繩、絞輪、數(shù)據(jù)采集儀、杯口外倒角的水杯和試驗(yàn)金屬樣板。樣板尺寸為100 mm×100 mm×5 mm，采用不同粗細(xì)的砂輪打磨。用來(lái)表征材料表面粗糙度的常用物理量有輪廓算術(shù)平均偏差Ra、微觀不平度十點(diǎn)高度Rz和輪廓最大高度Ry，其中Ra在工程中使用普遍、且最能反映rf，本文采用Ra值表征樣件表面粗糙度，如圖3所示。

圖3 輪廓算術(shù)平均偏差Ra

幾何意義和計(jì)算方法為

使用Mitutoyo SJ-201型便捷式表面粗糙度測(cè)量?jī)x測(cè)量Ra，探頭取樣長(zhǎng)度L=12.5 mm，探頭劃過(guò)樣件表面將數(shù)據(jù)傳入積分計(jì)算器，經(jīng)處理后直接顯示Ra值，測(cè)量范圍為 0～300 μm，測(cè)量 5～6 處取平均值得到表面Ra值。試驗(yàn)系統(tǒng)包括試驗(yàn)臺(tái)架和數(shù)據(jù)采集箱2部分，如圖4所示。

圖4 試驗(yàn)系統(tǒng)

2.2 試驗(yàn)方法

測(cè)法向應(yīng)力時(shí)，凍黏性好的樣件放置在試驗(yàn)臺(tái)固定架上，固定架可通過(guò)鎖緊滑套在導(dǎo)軌上左右移動(dòng)或鎖緊在導(dǎo)軌上，以此調(diào)節(jié)水杯左右位置，推拉樣板則可調(diào)節(jié)水杯前后位置，保證豎直向上拉脫。彈性繩連接水杯底部掛鉤和拉力計(jì)，并繞過(guò)定滑輪連接在絞輪上，啟動(dòng)數(shù)據(jù)采集儀，緩慢搖動(dòng)絞輪直至將水杯從樣件表面拉脫，停止數(shù)據(jù)采集，稱量結(jié)冰水杯質(zhì)量，拍攝樣件表面凍黏情況，利用圖像處理軟件得到冰實(shí)際黏附面積，取最大拉力，并減去結(jié)冰水杯質(zhì)量，視為冰拉脫時(shí)的法向拉力Fσ，除以黏附面積S，即得法向凍黏系數(shù)cσ。與此類似，在測(cè)切向應(yīng)力時(shí)，放置拉力計(jì)的支撐臺(tái)和定滑高度均可調(diào)節(jié)，以保證水平拉脫，取最大拉力值，視為冰拉脫時(shí)的切向拉力Fτ，除以黏附面積S，即得切向凍粘系數(shù) cτ。

試驗(yàn)在0～-30℃內(nèi)選取4～5個(gè)不同溫度點(diǎn)測(cè)量，每個(gè)試驗(yàn)重復(fù)進(jìn)行5次，以減小誤差。冷凍溫度在0～-32℃可調(diào)，冷柜周圍放入預(yù)制的冰塊，以增大熱容量。在試驗(yàn)時(shí)，用熱電偶實(shí)時(shí)監(jiān)控冰箱不同部位溫度，確保冷柜溫度均勻，試驗(yàn)控溫精度為±1℃。拉力計(jì)測(cè)力范圍為0～50 kg，輸出0.005～5.005 V電壓信號(hào)，根據(jù)預(yù)先的標(biāo)定轉(zhuǎn)換為拉/壓力，精度范圍為≤0.3%。數(shù)據(jù)采集精度為0.001 mV，最大穩(wěn)定采集率為2 Hz，連接計(jì)算機(jī)可實(shí)時(shí)查看拉力變化。鋁制水杯口徑為30 mm，底部可安裝掛鉤用于豎直拉脫，在杯身中部銑凹槽，以便于水平拉脫，水杯盛滿水后放入冰箱，并保持杯口水平，蓋上樣件。在試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，凍結(jié)時(shí)間太短（＜3 h）水杯無(wú)法很好地與樣件凍黏，約3 h后，冰少許突出水杯口，并和樣件很好地凍黏在一起，凍黏界面達(dá)到平衡，繼續(xù)延長(zhǎng)凍黏時(shí)間，對(duì)凍黏系數(shù)也無(wú)影響。

3 試驗(yàn)結(jié)果

采用鋁、銅各10塊作為試驗(yàn)樣板，所測(cè)表面粗糙度數(shù)值見(jiàn)表1。

表1 樣板表面粗糙度

通過(guò)試驗(yàn)測(cè)得樣板在不同表面粗糙度下的溫度與凍黏系數(shù)的關(guān)系分別如圖5、6所示，以及在不同溫度下的表面粗糙度與凍黏系數(shù)的關(guān)系分別如圖7、8所示。

圖5 鋁板溫度與凍黏系數(shù)的關(guān)系

圖6 銅板溫度與凍黏系數(shù)的關(guān)系

圖7 鋁板表面粗糙度與凍黏系數(shù)的關(guān)系

4 試驗(yàn)結(jié)果分析及討論

4.1 溫度對(duì)凍黏的影響

從圖5、6中可見(jiàn)，在溫度較高為-6℃時(shí)，冰尚處于熱冰狀態(tài)，冰與樣板間界面是“流動(dòng)”的，法向和切向凍黏強(qiáng)度cσ和cτ均很?。浑S著溫度下降至-6～-16℃時(shí)，凝液層逐漸凝固，cσ和cτ快速增大；當(dāng)溫度進(jìn)一步下降至-16～-20℃時(shí)，固態(tài)化加劇，cσ和cτ雖繼續(xù)增大，但因系統(tǒng)所能提供的水分減少，上升趨勢(shì)變緩；在溫度繼續(xù)下降至-20℃以下后，對(duì)cσ和cτ影響均很小，表明界面已達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，整個(gè)變化趨勢(shì)符合凝液體流動(dòng)模型預(yù)測(cè)。

4.2 表面粗糙度Ra對(duì)凍黏的影響

從圖7、8中可見(jiàn)，在溫度較高為-6℃時(shí)，因界面的“流動(dòng)”效應(yīng)，Ra變化對(duì)凍黏影響不大；當(dāng)溫度下降、表面固化加劇時(shí)，樣件的cσ和cτ并非隨Ra增大，而單調(diào)增大。過(guò)于粗糙（Ra＞12）的表面不易被濕潤(rùn)，隨Ra增大引起凍黏時(shí)形成的空泡、氣穴和應(yīng)力點(diǎn)增多或弱邊界層效應(yīng)增強(qiáng)，cσ和cτ快速減小；當(dāng)Ra＜12左右時(shí)，Ra減小導(dǎo)致表面的濕潤(rùn)性和凍黏時(shí)的機(jī)械聯(lián)結(jié)效應(yīng)減小，cσ和cτ持續(xù)減小。在Ra=3左右時(shí)，cσ和cτ出現(xiàn)1個(gè)低谷，較之光潔或粗糙的表面cσ和cτ均增大，表明此時(shí)因Ra減小引起濕潤(rùn)性和機(jī)械聯(lián)結(jié)效應(yīng)下降對(duì)凍黏的影響已極大減弱；Ra繼續(xù)減小，界面冰結(jié)晶型態(tài)改變和化學(xué)黏附效應(yīng)增強(qiáng)，成為影響凍黏強(qiáng)度的主要因素，隨著Ra繼續(xù)減小，cσ和cτ不再減小，反而迅速增大。因此，合理加工Ra可最大限度降低冰的凍黏強(qiáng)度，對(duì)于防凍、防黏具有實(shí)際意義。

5 結(jié)論

（1）凍黏界面的變化總體上符合凝液體流動(dòng)模型，在熱冰狀態(tài)時(shí)，凍黏力很小。

（2）對(duì)某些利用加熱表面實(shí)現(xiàn)防/除冰的部件，若冰所受氣動(dòng)力或離心力等較大，且在表面溫度低于冰點(diǎn)下時(shí)，也可以很容易脫落，并不一定需要加溫至0℃以上，有助于提高防/除冰效率。

（3）對(duì)于部件Ra，使用不同的材料，根據(jù)冰黏附后受力特點(diǎn)，采用合適的表面處理技術(shù)，使部件Ra合理分布，可最大限度地降低冰的黏附力，則冰更容易脫落。

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