【摘要】：低溫環(huán)境下,材料表面結(jié)冰現(xiàn)象普遍存在于電力、航空、車輛、制冷等工程領(lǐng)域。這種現(xiàn)象會(huì)給生產(chǎn)生活帶來(lái)許多不便與危險(xiǎn)。如,遮擋部件工作表面、增加飛機(jī)負(fù)重、降低換熱器換熱效率等,影響機(jī)械、機(jī)構(gòu)的可靠性及安全性。本文針對(duì)冰雪危害中的結(jié)冰附著現(xiàn)象,以切向凍粘粘附力為指標(biāo),通過(guò)試驗(yàn)方法研究表面涂覆彈性涂層的彈性模量、分布、厚度等因素對(duì)結(jié)冰附著特性的影響,探究表面彈性及彈性涂層的分布對(duì)結(jié)冰附著界面的形成及其穩(wěn)定性的影響規(guī)律,探討基于表面改良的防結(jié)冰方法和技術(shù)方案。針對(duì)以上研究思路和目的,研究工作及結(jié)論如下:(1)本文基于相變膨脹現(xiàn)象,針對(duì)現(xiàn)有防冰/除冰技術(shù)的不足,提出了一種利用表面彈性影響結(jié)冰附著界面穩(wěn)定性的方法。以鋁和PMMA材料為試驗(yàn)對(duì)象,分別對(duì)表面彈性模量、彈性涂層的分布(涂覆形狀、尺寸、間距、占空比)、厚度等因素對(duì)相變過(guò)程及結(jié)冰附著特性的影響進(jìn)行了研究。為了研究彈性材料彈性模量對(duì)結(jié)冰附著的影響,本文采用兩種材料,分別為BOPP和WH-705硫化硅橡膠。利用切向凍粘粘附力測(cè)試裝置,以水杯制冰試驗(yàn)法,獲得了金屬和非金屬材料(鋁和PMMA)表面涂覆BOPP和WH-705硫化硅橡膠后的切向凍粘粘附力。為研究彈性涂層的分布(涂覆形狀、尺寸、間距、占空比)、厚度等因素對(duì)結(jié)冰附著的影響,對(duì)PMMA表面進(jìn)行不同形狀分布(六邊形、圓形、條紋、網(wǎng)格)的硫化硅橡膠涂覆,并測(cè)量了其切向凍粘粘附力;分析了直徑、間距、厚度、占空比四個(gè)因素對(duì)鋁基板結(jié)冰附著的影響,并利用響應(yīng)面法分析鋁基板部分涂覆彈性涂層的最佳參數(shù)。(2)試驗(yàn)表明,彈性涂層對(duì)材料表面切向凍粘粘附力影響顯著,不同彈性涂層對(duì)切向凍粘粘附力的影響不同。在鋁基板表面部分涂覆BOPP,其切向凍粘粘附力有所下降,約34.99%(條紋)與37.57%(圓形);部分涂覆硫化硅橡膠,其切向凍粘粘附力有所下降,約59.87%(條紋)與63.02%(圓形)。由此可以看出,利用彈性模量較小彈性涂層對(duì)材料表面進(jìn)行涂覆,對(duì)減少材料表面切向凍粘粘附力有積極作用。試驗(yàn)結(jié)果顯示,結(jié)冰附著界面面積與切向凍粘粘附力成正比。不同形狀彈性涂層分布中,圓形涂覆相較于其他形狀涂覆的切向凍粘粘附力小。通過(guò)優(yōu)化分析及試驗(yàn)驗(yàn)證發(fā)現(xiàn),對(duì)鋁來(lái)說(shuō),涂覆圓心距、占空比、厚度、直徑對(duì)切向凍粘粘附力的影響程度逐項(xiàng)減小,且隨著直徑、間距、厚度、占空比增大,切向凍粘粘附力先減小后增大。當(dāng)直徑為2.26 mm、圓心距為6.74 mm、占空比為11.01%、厚度為0.27 mm,降低切向凍粘粘附力的效果最好。(3)表面彈性對(duì)相變過(guò)程界面的影響效應(yīng)分析表明,當(dāng)水在冷表面凝聚結(jié)冰時(shí),由于冷表面與環(huán)境溫度較低,且液體凝固散熱,水與外界接觸部分先凍結(jié),形成一層薄薄的殼。由于熱量傳遞,凍結(jié)厚度逐漸向水的內(nèi)部增加。水體積不可壓縮,所以隨著內(nèi)部水結(jié)冰體積膨脹,外層冰殼會(huì)受到內(nèi)部產(chǎn)生的膨脹力。基板表面部分涂覆涂層會(huì)改變膨脹力的作用方向,使得冰層與基板之間的界面不穩(wěn)定。最終導(dǎo)致冰層與基板之間產(chǎn)生裂縫或徹底分離。(4)為探究基于表面彈性的防結(jié)冰方案實(shí)際應(yīng)用的可行性,以實(shí)際車輛底盤為工程背景,在冬季路面冰雪覆蓋情況下,對(duì)汽車擋泥板、翼子板內(nèi)襯板附近的積雪積冰情況進(jìn)行研究,分析底盤部件的結(jié)冰特性及規(guī)律。以轎車擋泥板為對(duì)象,并基于彈性表面設(shè)計(jì)制作了防結(jié)冰擋泥板模型,研究彈性表面對(duì)翼子板內(nèi)襯板覆蓋面的防積雪積冰效果。試驗(yàn)證明,用彈性涂層涂覆擋泥板,改變擋泥板表面彈性后,其上積冰凍粘粘附力可明顯降低,擋泥板積冰時(shí)間推遲,積冰速度減緩。證實(shí)表面彈性對(duì)實(shí)際結(jié)冰附著的減少有積極作用。此方法具有實(shí)際意義與工程參考價(jià)值,以該理論為基礎(chǔ)的防結(jié)冰模型具備實(shí)際意義與工程參考價(jià)值。本文作為應(yīng)用基礎(chǔ)研究,旨在探討利用相變膨脹力進(jìn)行主動(dòng)防潔冰的方法和技術(shù)。初步研究了表面彈性對(duì)結(jié)冰附著界面的穩(wěn)定性影響規(guī)律及機(jī)理,為實(shí)際工程防結(jié)冰技術(shù)提供了一個(gè)新思路。
【圖文】：

（a）輸電線路覆冰 （b）汽車結(jié)冰 （c）湖泊結(jié)冰 （d）建筑物掛冰圖 1.1 日常生活中常見(jiàn)的結(jié)冰方式結(jié)冰會(huì)影響交通。1955 年 1 月 26 日，英國(guó)漁船“Lorella”和“Roderigo”因大量結(jié)冰穩(wěn)定性，，在北角冰島以東約 90 英里的地方沉沒(méi)。我國(guó)地域遼闊，北部地區(qū)緯度較高季氣溫低、降雪范圍廣、雪量大，平均每年降雪期長(zhǎng)達(dá)三至五個(gè)月[1]。在低溫影響下體巖石裂縫內(nèi)未排干的水會(huì)結(jié)冰膨脹。由于其本身受到裂縫壁面的約束，結(jié)冰膨脹使裂縫擴(kuò)張，導(dǎo)致山體結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定，甚至被分裂成塊，誘發(fā)泥石流產(chǎn)生，影響交通

其，穩(wěn)定的氫鍵逐漸形成[8]。在氫鍵作用下，冰成體積膨脹，密度減小。體積小、曲率大、內(nèi)部無(wú)雜質(zhì)，會(huì)繼續(xù)降溫而結(jié)冰條件后，其外表面或靠近凝結(jié)核部位開始分最終會(huì)被過(guò)冷水包裹，整個(gè)水滴進(jìn)入冰水混分冰由于熱能不足而融化。此時(shí)水滴溫度高于行，水滴體積逐漸膨脹。當(dāng)水滴中的過(guò)冷水全其溫度也將逐步降低至環(huán)境溫度。一般來(lái)說(shuō)，其表面會(huì)出現(xiàn)凝結(jié)現(xiàn)象，導(dǎo)致其直徑進(jìn)一步增所不同。在其表面施加過(guò)量壓力會(huì)使結(jié)冰附著并使溫度變?yōu)?0℃。當(dāng)冰層溫度繼續(xù)下降水膜步加大。Laura Lupi 等[10]發(fā)現(xiàn)視覺(jué)平整但分是親水特性，都不促進(jìn)冰非均勻成核。他們認(rèn)圖 1.2 水的三相圖
【學(xué)位授予單位】：吉林大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號(hào)】：TB30

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2588500