冰黏附强度测试装置的研究

冰黏附强度测试装置的研究
陈廷坤1，金敬福1，曹敏2，齐迎春1（1. 吉林大学生物与农业工程学院，长春130022；
5 10 15 20 25 30 35 40
2. 吉林大学学报编辑部,长春130022）
摘要：黏附强度是分析结冰影响因素和规律及评价防冰涂层抑冰效果的一个重要依据。

目前
国内外学者主要通过自行设计的试验装置测定冰与结冰表面间的黏附强度。

本文对常见黏附
强度测量装置的结构、工作原理等进行了概述，分析归纳了这些测量装置在原理和结构等方
面存在的缺陷，并据此给出了改进方法，文章最后对黏附强度测试装置的未来设计趋势进行
了展望。

关键词：结冰，黏附强度，测试结构，测试原理，改进方法
中图分类号：TB663
Ice adhesion strength testing device
CHEN Tingkun1, JIN Jingfu1, CAO Min2, QI Yingchun1
(1. College of Biological and Agricultural Engineering,Jilin University,Changchun 130022;
2. Journal of Jilin University,Changchun,130022)
Abstract: The adhesion strength is very important for analyzing the icing factors and evaluating
the ice inhibitory effect of the coating on different materials. At present,the domestic and foreign scholars meassure the adhesion strength mainly through self-designed testing device. This paper
gives an overview of these device’s structure, working priciple, and meanwhile analyzes their characters and problems. Fi nally,the methods to solve these device’s faults are given and the
future design trends of these apparatus are also proposed.
Key words: icing; adhesion strength; test structure; test principle; improved methods
0引言
结冰作为自然界中的一种常见现象，有时会给人们的日常生活和实际工程带来极大影
响。

例如，飞机起飞及飞行过程中发生的结冰现象会给飞机的动力性、安全性以及操作性带
来安全隐患[1]；输电系统的表面覆冰会增加输电系统的载荷，甚至造成输电线路断裂、输送
塔倒塌[2]；城市客车和大型低速货车普遍采用气制动，制动鼓表面和制动管路内存在水分，
会减小有效制动面积，降低制动效果[3]；在冰蓄冷空调中，随着制冰量的增加，水域冷媒之
间的热阻加大，为达到相同的制冷效果，只能增加系统的工作负荷，因此缩短了冷凝器的工
作寿命[4]；制冷设备蒸发器中发生的结冰结霜现象，会使传热热阻增加，降低了传热效率并
增加换热空气的阻力，使制冷设备功率变低，造成电能的消耗[5]；在寒冷地区的风力发电机，
当叶片的表面结冰时，会降低风力发电机效率和机组的输出功率，覆冰严重时还将导致风力
发电机组意外停止，影响电网的安全稳定[6]；在建筑行业，冻土不仅会降低建筑物的美观、
安全和可靠性，还会增加建筑物的施工周期；在矿山行业中，采矿和运输车辆结冰会降低采
矿和运输效率[7]；雷达、通讯表面结冰会影响信号质量，并引起通讯的中断。

低温环境下水黏附在材料表面并冻结后具有一定的强度，称之为冰在材料表面的黏附强
基金项目：国家自然科学基金青年科学基金(51005095)；吉林省科技发展计划青年基金项目（20100187）；教育部博士点基金新教师基金（20090061120071）
作者简介：陈廷坤(1989.07-),男,硕士研究生,主要研究方向:试验测试技术
通信联系人：齐迎春（1979.03-），女，副教授，主要研究方向：机械表面效应及改良改性. E-mail:
************.cn
度。

黏附强度可以用于评价材料表面冰清除的难易程度，为工程中材料的选择提供依据。

本文介绍了几种常见冰黏附强度测试装置的基本结构、原理，对这些测试装置存在的不足以及对冰黏附强度测量的影响进行了详细的分析，并针对目前试验装置普遍存在的缺陷，提出了冰黏附强度测试装置未来设计需注意的问题。

45 1黏附强度测试装置
由于未形成标准的冰黏附强度测试装置，目前冰黏附强度测量均是在不同研究人员为便于相关方面的研究而自行研发制造测试装置的基础上完成的。

1.1 国外黏附强度测试装置
1957 年H.H.G.Jellinek[8]在对施加载荷速率、温度以及接触面积三者因素对冰黏附强度50 影响的研究中，自制了如图1 所示的试验装置。

试验中通过改变冰杯与冰的接触面积以及在
三相驱动电机中插入齿轮形成不同的传动比，分别研究不同面积和载荷速率对冰强度的影响。

其中，传感器固定在不锈钢盘和螺纹钢杆之间，不锈钢盘与传感器通过球链接连接在一起。

当电机工作施加载荷时，通过传感器测量电机承受的载荷并输出，将输出的试验测试结果与时间的关系绘制成曲线图。

6
5
4
3
2
1
55
1和3为不锈钢盘，2为制冰的冰杯，4为称重传感器，5为蜗轮，6为齿轮试验测试装置
图1 法向抗拉强度仪器[8]
Figure1[8] the tensile strength apparatus
该测试装置利用力的平衡定理测量冰的黏附强度，操作简单，但同时存在一些不合理的
60 65 70 地方：1与冰接触界面的温度和冰温度不相同，会导致冰样本与不锈钢盘的接触表面发生不
同程度的融化和表面形态的改变，施加载荷时会影响传感器测得力的数值。

2水在冻结时会
产生膨胀而导致冰柱表面形态不平，同时关节点通过球链接进行连接，容易使力的作用点发
生偏移，从而导致传感器测得力的数值发生变化。

3该试验装置全部为刚性部件并采用刚性
连接，未采取任何减振、防振措施，尤其是需要大的载荷速率时，系统的振动尤为强烈，同
时加大了测试部件的偏移，使试验数据存在更大的误差。

1958 年L.E.Raraty 和D.Tabor[9]在对冰的黏附性和强度性能的研究中，设计了如图 2 所示的法向黏附强度测试装置，该试验装置根据待测样本形状的不同（圆形或环形）而不同。

为了使冰在最窄的位置也能够与环形样本黏附在一起，利用缠绕在外围模型和中心圆柱体的
导线对其进行加热，使表面的冰发生融化。

试验时将整个测试装置放置在温度为±1℃的环
境内，并通过蜗杆和齿轮对样本施加扭矩，试验过程通过检流计灯反射来自样本上部反射镜
的光来观察冰在剥离之前发生的蠕变现象，并通过安装在扭矩头上的指针记录黏附界面断裂
时的扭矩杆的位置。

Figure 2 1
1
2
1 3
2
3
2
6 4
5
4 4
5
75
（a ）试验装置
（b ）环形样本安定装置
(a) 1蜗轮 2齿轮 3扭矩杆 4反射镜 5蠕变观察装置 (b) 1扭矩杆 2冰 3模型 4样本 5移动管件 6环形面
图2 黏附装置的结构图[9]
[9] the structure of adhesion apparatus
该试验装置利用扭矩平衡的原理测试剥离过程中样本与冰之间的扭矩，其特点在于：1
80
85
90
试验测试时环境温度与制冰温度相近，避免了因试验装置温度与样本温度不同对试验结果造 成干扰。

2在对环形样本进行试验测试时，通过对测试部件的微加热，使冰黏附在部件尖端 的表面，避免因接触面积的减小，影响其试验测试的结果。

但是该装置存在几处缺陷：采 用机械传动，存在传动不稳定性以及振动等因素对试验造成干扰。

2环形样本内环柱面的圆 柱度有较高的要求。

若与内圆柱半径之差过大，会造成水的泄露，与内圆柱面形成额外的黏 附；反之，样品与内圆柱形成过盈配合，两个圆柱面之间的摩擦力会使试验数据加大。

针对冰黏附的问题，H.H.G.Jellinek 在文献 10 提出了几种解决方案，并于 1978 年 H.H.G.Jellinek [11]在对嵌段共聚物涂层的防冰效果研究中，对 K.Itagaki 设计的装置进行了改 装，如图 3 所示的切向黏附强度测试装置，图中 A 、B 、C 分别为侧视图、俯视图、截面视 图。

作者使用该装置于 1986 年对 LR-5630 涂层的与冰之间的黏附强度进行了测试[12]。

试验
时，活塞拉动活动板并通过应变计测量在拉动过程中冰与聚合物膜之间的黏附力，并给出力 -时间图。

由于嵌段共聚物薄膜具有疏水性，通过力-时间图可判定剥离时黏附力是否增长以 确定嵌段共聚物薄膜的防冰效果。

A
k
B
l k
l
Pulling
j
Pulling
a g
b2
h
b1
c
a b1
m
i
l
k
C
l
Pulling
f
g1
a
b 1 c
g2
e
d h
A 侧视图
B 俯视图
C 截面视图
95
a 为制冰圆筒，b1为盖板，b2为阻挡a 与d 移动的挡块，c 为盖板与e 相连的框架，d 为置于h 上的活动板，e 为 应变计,f 为与活塞的连接装置，g1为d 与f 的连接引脚，g2为c 到e 的连接引脚，h 为滚珠轴承，i 为固定底座，j
为保持b 位置不变的紧定螺丝，k 为导杆，l 为j 的保持架；m 为金属条
图3 黏附剪切设备[11]
Figure3[11] Adhesion shearing equipment
100 105 110 115
该试验装置利用物理学中力的平衡原理来测试剥离过程中的黏附力。

为避免不可控因素
对试验的干扰，该装置采用滑动轴承，减小了移动板与底座之间的摩擦力，并使用压缩气体
驱动活动板，防止了机械驱动而产生的振动。

但同时该试验装置存在以下几点不完善之处：
1力的作用点位置不易确定。

连接引脚与盖板的中心轴线不易保持在同一条直线并且拉杆的
作用位置不易确定，拉动时，由于紧定螺丝固定和前后力的作用点不同会产生扭矩，使底板
绕紧定螺丝旋转以致涂覆物的扭曲或剥离，导致测量结果不准确。

2受外界温度的影响。

试
验采用圆筒进行冰的制取，在冰制取的过程中冰与基板之间的黏附稳定性容易受外界环境因
素的干扰。

3多次重复试验时，表面涂覆物不易清除，残余涂层容易对下次试验造成试验数
据的误差。

E.H.Andrews等[13~17]研究了平面应变能并将其应用于冰与材料的黏附问题上，于1983年，采用了如图4所示的试验装置研究冰在不同黏附基质的黏附强度。

根据试验内容的不同，可
通过调节控制阀改变压力施加的速率，并通过与氮气稳压器相连的气压计实时记录压力值的
变化。

试验时对已去除空气的水进行制冷冻结，将结冰基质和冰置于如图4（b）中，对测试
头施加压力，并通过与测试头上高速压力传感器相连的紫外图表记录器输出压力与时间的曲
线图。

记录冰与基质之间出现黏附裂纹的时间，通过压力与时间的曲线图确定材料与冰之间
的黏附强度。

冰厚(3-14mm)
5
6
2
10
PTFE薄片
铜圆
柱
D
7
3
施加压
力
4 8 9 1
(a)
(b)
1活塞泵，2稳压器，3气压计，4测试头，5试验台块，6为高速压力传感器，7试验装置的玻璃罩，8漏油托
盘，9滤清器，10控制阀
（a）试验装置[15]（b）测试头简图[17]
120 125 130
图 4 装置原理图
Figure4 schematic diagram
该试验装置通过压力平衡原理，采用压强评定黏附强度，其特点如下：温度不同造成的差异。

将结冰基质放置于制冰温度相同的环境里，避免了冰的接触界面的融化。

同时采用灵敏度高的部件进行测量并给出力与时间的关系曲线图。

但是不足之处是该装置结构过于复杂，并且结冰基质外形须制成如图所示的圆筒状，与下端黄铜柱的连接有较高的装配要求。

若圆柱筒的尺寸过大时，则加大了与冰的黏附面积，使所测得压力值偏大，若圆柱筒的尺寸过小时，则会加大了圆柱筒与黄铜柱之间的摩擦力，试验数值偏大。

Shimizu M[18]、H Satio[19]利用如图5 所示的试验装置在1992 年、1997 年进行了切向黏附强度的测试，G.Yamauchi [20]、Murase H[21]对该试验装置做了详细的介绍。

试验时，在-5℃环境下对PTFE 圆筒内的去离子水进行制冷冻结，并在获得的冰柱下表面沾取0℃水，形成一层水膜。

在-5℃环境温度下，将冰柱与PTFE 圆筒在不施加任何的条件下放置于待测试材料的表面。

放置5min 后，通过驱动单元带动移动台，在移动过程中，通过与PTFE 圆筒相
Figure 6
连接的力传感器测量冰与待测材料之间的切向黏附力。

5 6
7
9
8
2
1
4
3
135
140
145
1为底座，2为移动台，
3为驱动单元，4为速度控制单元，5为传感器，6为不锈钢线，7为PTFE 圆筒，8为测 试平台，9为冰块
图5 切向测试装置[18][19]
Figure 5[18][19] the tangent test device
该试验装置通过作用力与反作用力原理进行测试，其主要特点为：1避免了温度的影响。

制冰圆筒采用隔热良好的 PTFE 材料制成，排出了采用导热良好的金属圆筒进行制冰时受外 界温度的影响。

2采用速度控制单元和驱动单元严格控制测试平台的移动速度，避免剥离速 度影响测试数值的平稳性。

同时该装置也存在几处缺陷：1用圆筒进行冰的制取时会发生膨 胀现象，水柱的表面不规则，因此沾取的水膜也不均匀，与测试材料之间已形成黏附缺陷， 影响测试结果的准确性。

2待测材料未施加任何措施固定在测试平台上，并且钢丝线和驱动
单元两者力作用在不同部件上，在移动过程中，会导致测试板右侧翘起。

因此传感器所测试 出的切向黏附力为原黏附力的一个分力，导致试验误差。

1.2
国内黏附强度测试装置
国外对结冰规律及其冰黏附强度的研究起步较早，黏附强度的测试装置研发和设计也比 国内早。

以下为几种国内学者自制或设计的冰黏附强度测试装置。

150
江亿等[22]在对外界因素影响过冷水结冰的研究中，于 2003 年自行设计了如图 6 所示的 试验装置。

装置中的圆柱筒的材料为聚四氟乙烯，并采用保温材料对圆柱筒进行二次保温。

试验时，在圆柱筒内注入 3cm 高的水，将试验样本置于圆柱筒下端面，采用流动的低温冷 媒进行制冷冻结，试验温度由试样下表面的 T 型热电偶测量。

1
7
6
5
2
3
4
155
1聚四氟乙烯筒，2不锈钢板，
3热电偶，4低温冷媒，5保温材料，6玻璃盖片，7水 图6 研究过冷水结冰影响因素的试验装置[22]
[22]studied cold water freezing’s influence factors of the test device
与其他实验装置相比该装置结构简单、易操作，易更换样本，该装置存在的不足之处在
于：1对筒和样本之间的密封性有较高的要求，否则筒内的水泄露，增大结冰面积，影响试
Figure 8
160
165
验效果。

2试验中将热电偶置于材料的下表面，同时低温冷媒从试验材料的下表面流过，因 此热电偶测试的温度为低温冷媒的温度，并且低温冷媒的流动速度也会导致热电偶测试温度 出现偏差。

杨晓东[23]等人在 2004 年利用自制的试验装置（如图 7）对在不同温度以及不同含量聚 四氟乙烯涂层的条件下，测量冰与 Q235 钢表面的切向与法向的黏附强度。

图 7 为冻黏应力 测试装置示意图，而切向黏附强度测试装置只需将螺旋操纵杆和力传感器横置与试验容器垂 直。

试验时利用圆筒进行冰的制取，并将圆筒和待测材料放置于试验装置上，通过螺旋杆对 试验容器施加力矩，使冰与材料剥离。

冰与材料发生剥离时，通过传感器并经仪表箱读出。

1 2 3 4 5 6 12
13 14
15
7 8 9 10 11
1螺旋操纵杆，2仪表框，3纵向定位
1，4纵向定位2，5换向板，6联结器1，7横向定位板，8拉力传感器， 170
175
180
9联结器2，10试样容器，11调平螺栓，12试验材料，13试样固定板，14馈线，15仪表箱
图7 测试装置图[23]
Figure 7[23] the test device
该试验装置通过扭矩平衡进行剥离力的测试，其特点如下：1通过手动旋转螺旋操纵杆， 受旋转角度的限制，施加的力矩为间歇性，影响测试数值。

2采用金属圆筒进行冰的制取，
会受到外界环境温度对制冰的影响。

同时制冰圆筒的材料与试验材料一致，避免冰与不同材 料之间因黏附强度的不同，进行剥离试验时，冰的剥离位置会不同，导致试验失败。

图 8 是我国电力科学院 2009 年发明的测试覆冰或涂层结合强度的装置[24]。

试验时，将 表面带有覆冰或涂层的基体连接到堵塞插入部分的顶端，并一同插入堵塞装置的通孔内。

通 过拉伸试验机测试出剥离过程中的拉力，同时测得未有冰层的基体的拉力，除以覆有冰层的
基体的面积便得到结冰强度。

2
7 11 13 1
3 4 10
5
6
15
12
9
8
1堵塞支撑装置，2堵塞，3覆料基体，4阻水壁，5稳固装置，6覆冰层，7定位连接装置，8覆料部分，9拉伸 连接装置，10凹槽，11插入部分，12覆料基体的工作面，13连接部分，14涂层，15堵塞支撑装置的工作面
图8 结合强度测试装置[24]
185
[24]the freezing strength’s t est device
该测试装置根据压强的计算公式而设计，没有引入其他不确定因素，试验测试因素明确。

待测样本安装方便，使用同一个堵塞，因此堵塞表面与堵塞支撑装置之间的摩擦力相同。

试 验装置中阻水壁防止在水结冰之前流失，减小了试验误差。

同时，在堵塞支撑装置的通孔与
Figure 9 Figure 10
2
覆料基体相邻的位置成型有凹槽并填充凡士林，避免了水滴结冰导致测量力的增大、试验数
190
据不精确的缺点。

国内专利 201110115608.5 设计了一种对冰黏附强度的测试装置[25]，如图 9 所示。

该试 验装置是在材料表面滴定水滴，通过样品底部的制冷单元对样品进行制冷，并且通过调节制 冷单元的电压改变试验材料表面的冷表面温度，待其完全冻结后，利用材料上方滑刀的移动
将表面凸冰剥离，通过显示器读出测得的剥离力。

195
1样品固定架（兼壳体），2制冷单元，3待测试件，4结冰凸包，5定量水滴单元，6滑刀，7力传感器，
8显示器，9切向推杆
图9 冰粘附强度测试装置[25]
[25]the i ce adhesion strength test device
200
205
210
该试验装置结构简单，将剥离冰的剥离力直接作为材料的黏附强度评价标准，未引入其 他不可控参数。

同时，采用定量水滴进行冰的制取，未使用圆筒的方式制冰，避免了制冷不 均匀以及圆柱筒内气泡对试验的影响。

另外，该试验装置采用可调制冷单元对试验材料进行 制冷，调节方便并且材料表面温度易控制。

美国寒冷地区研究与工程实验室的黏附剂黏附强度测试标准[26]设计了双试件搭接切向 力测试方法，用于评价表面与冰的黏附强度。

其原理是根据力的分解定律，将黏附力分为法 向力和切向力，根据压强计算公式计算出黏附强度。

上海交通大学的丁金波[27]根据文献 26， 采用了如图 10 所示的装置测量冻黏系数。

（a ）为用直接拉脱法测量法向冻黏系数，（b ）、 （c ）为用直接切拉法、扭转法测量切向冻黏系数。

在使用（a ）装置测量法向冻黏系数时， 施加法向力使冰与样板表面剥离，测得的力减去冰水杯的重力再除以其接触面积得到法向冻
黏强度；用（b ）装置测量切向冻黏系数时，将测得的切向剥离力除以截面面积得到切向冻 粘强度，而采用（c ）装置测量切向冻黏系数时，根据对圆盘施加的力并根据整个静止系统
所受的力矩为零的原理，根据公式τ = 为圆柱半径，R 为圆盘的半径。

FR 2πr 2h
可以得到切向冻黏强度，式中 h 为基座高，r
F σ
4
F
3
1
2
3
1
2
F τ
5
3 1
（a ）
（b ）
（c ）
215
1冰，2冰杯，3样板（样件），4圆盘，5基座
图10 冻粘系数测量装置[27]
[27]the freezing coefficient’s measure device
该试验装置利用物理学上简单的压强公式以及力矩平衡定律，没有引入其他不确定因 素，避免了不必要误差的产生，操作简单。

但是该测试装置未考虑到以下几方面：1圆筒内
220
表面温度与环境温度存在较大的温度差，导致与附着在圆筒内表面接触的冰发生局部融化。

采用 a 、b 装置进行试验时应尽量避免与水接触界面存有气泡，避免接触面积发生改变，
3a、c
造成试验偏差。

使用装置时未考虑到接触界面黏附强度以及冰强度对试验的影响，
如冰杯与冰之间的黏附强度小于或等于冰与样板之间的黏附强度，施加力时，会存在水杯脱离或者两处黏附界面同时剥离。

同时，冰自身的强度小于两处界面的黏附强度，测试时会导
225 230 235 240 245 250 255 260 265 270 致冰的自身断裂，影响试验数据。

2结束语
在实际工程中选用与冰黏附性小的材料或者在材料表面涂覆防结冰涂层，可以降低表面
冰层的后期清理费用，而通过有效的黏附强度测试装置对材料和新防结冰技术的评定尤为重
要。

国内外已研制了一些表面黏附强度测试装置，但这些装置存在一些不足，如结构复杂、
外界干扰因素多，并且多采用圆筒的制冰方式，这种制冰方式未考虑到冰冻结膨胀时表面形
态的改变对接触面积的影响，同时也易受到环境温度的影响。

如何解决以上问题，并设计出可重复性好、受外界因素影响小等优点的黏附强度测试装
置是现在除冰、抑冰领域的主要问题。

作者根据实际设计和测量经验等提出以下两点建议：（1）黏附强度评价指标的制定原则。

直接选用冰在材料表面的剥离力作为黏附强度的
评价指标，简单合理，未引入其他参数，同时工程中对表面冰层的清理也是通过施加力的大
小来评定难易程度。

（2）制冰方式的选择。

可以采用直接在材料表面滴定水滴的方式进行冰的制取。

装置
中应该具有对待测材料制冷的部件。

试验测试环境应与制冰环境相同，避免温度的差异。

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