表面粗糙度對冰凍黏強度影響試驗研究

丁金波，董 威

（上海交通大學機械與動力工程學院，上海 200240）

0 引言

低溫環境下飛機表面積冰和霜層凍黏附著現象，嚴重影響飛機運行效率和安全性[1-3]。早在20世紀20年代飛機誕生之初，就開始關注并研究冰凍黏現象。冰與飛機部件表面的黏附是靜力（機械作用力）、分子間作用力、化學鍵力等多種因素的組合[4]，黏附強度是由界面冰層的特性決定，受到溫度、含水量、凍結速率、材料特性和表面形態等因素的影響，加之在凍黏過程中分子接觸不良造成黏結面上留有微孔缺陷，實際黏附面積難以計算，同時受界面殘余熱應力和收縮應力影響，而現有理論模型和計算方法所得結果往往遠大于實際凍黏強度[5-8]。

本文基于凍黏的基本理論，通過試驗方法研究在不同結冰環境下的不同表面粗糙度時的冰凍黏強度。

1 凍黏模型和理論概述

圖1 界面凝液流動層模型

冰是水在低溫下的凝固態，在低于0℃的不同溫度段表現出不同的狀態，冰的形成環境及冰型是影響凍黏的重要因素。Jellinek[9]根據試驗建立了固體表面與冰層界面上的凝液體（高黏度液體）流動模型，如圖1所示。溫度＞-10℃時會出現表面“流動”現象，此狀態的冰稱為熱冰[10]，隨著溫度降低，凝液體中的水分逐漸凝結，固態化加劇，同時濕空氣中水分析出，與材料表面黏附增強，溫度降到一定時，界面系統內部和外部再無更多的水補充，界面達到平衡，繼續降溫并不會對黏附強度產生太大影響。材料是結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結冰及其黏附效應影響很大。在材料表面的諸多特征中，其濕潤性和粗糙度對凍黏的影響較大[5]。濕潤性是反映液體對固體表面的親和度，由二者的黏附力以及各自的內聚力決定，黏附力促使液滴在表面鋪展，而內聚力則促使液滴保持球狀，并避免與表面更多地接觸。根據液體間接觸角不同，分為完全濕潤、濕潤和附著濕潤，如圖2所示。

圖2 接觸角

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

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

從式（1）可見，對親水性材料（θ＜90°）來說，rf增大將導致θ*減小，改善表面濕潤性，濕潤更好，水滴更容易在表面鋪展，濕潤能增加，凍黏強度增大；對憎水材料(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，根據機械聯結理論，粗糙度增加使凍黏界面形成更多的“銷釘”，冰與材料表面聯結更加牢固。然而，過于粗糙的表面也不能被很好地浸潤，且表面有較多的凹坑和溝壑等缺陷，在結冰時，容易在這些部位吸附氣體分子或其他雜質，形成含空泡、氣穴的凍黏界面或弱邊界層界面，減小實際凍黏面積同時應力集中點增多，降低了冰的黏附強度。另一方面，在光滑表面凍結時，界面水分子排列整齊，材料表面對冰界面的“割裂”較少，形成的冰晶體顆粒大，晶格間的位錯少，晶體內部排列規整、應力小，易形成大塊晶粒，界面自由能更低，界面更穩定，兩相間的接觸更加緊密，根據化學黏附理論，界面間的化學鍵合力可能增大，阻止斷裂時冰分子在界面上的相對滑動，宏觀上表現為黏附力增大[13-15]。因此，表面粗糙度對冰黏附的影響復雜，目前尚沒有很好的理論預測模型。

本文通過大量試驗，測試了常用金屬材料鋁、銅在不同凍結溫度下、不同表面粗糙度時的法向和切向凍黏系數（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 試驗方法

2.1 試驗設備

試驗設備包括冰箱、試驗臺架、拉力計、鋼絲繩、絞輪、數據采集儀、杯口外倒角的水杯和試驗金屬樣板。樣板尺寸為100 mm×100 mm×5 mm，采用不同粗細的砂輪打磨。用來表征材料表面粗糙度的常用物理量有輪廓算術平均偏差Ra、微觀不平度十點高度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 輪廓算術平均偏差Ra

幾何意義和計算方法為

使用Mitutoyo SJ-201型便捷式表面粗糙度測量儀測量Ra，探頭取樣長度L=12.5 mm，探頭劃過樣件表面將數據傳入積分計算器，經處理后直接顯示Ra值，測量范圍為 0～300 μm，測量 5～6 處取平均值得到表面Ra值。試驗系統包括試驗臺架和數據采集箱2部分，如圖4所示。

圖4 試驗系統

2.2 試驗方法

測法向應力時，凍黏性好的樣件放置在試驗臺固定架上，固定架可通過鎖緊滑套在導軌上左右移動或鎖緊在導軌上，以此調節水杯左右位置，推拉樣板則可調節水杯前后位置，保證豎直向上拉脫。彈性繩連接水杯底部掛鉤和拉力計，并繞過定滑輪連接在絞輪上，啟動數據采集儀，緩慢搖動絞輪直至將水杯從樣件表面拉脫，停止數據采集，稱量結冰水杯質量，拍攝樣件表面凍黏情況，利用圖像處理軟件得到冰實際黏附面積，取最大拉力，并減去結冰水杯質量，視為冰拉脫時的法向拉力Fσ，除以黏附面積S，即得法向凍黏系數cσ。與此類似，在測切向應力時，放置拉力計的支撐臺和定滑高度均可調節，以保證水平拉脫，取最大拉力值，視為冰拉脫時的切向拉力Fτ，除以黏附面積S，即得切向凍粘系數 cτ。

試驗在0～-30℃內選取4～5個不同溫度點測量，每個試驗重復進行5次，以減小誤差。冷凍溫度在0～-32℃可調，冷柜周圍放入預制的冰塊，以增大熱容量。在試驗時，用熱電偶實時監控冰箱不同部位溫度，確保冷柜溫度均勻，試驗控溫精度為±1℃。拉力計測力范圍為0～50 kg，輸出0.005～5.005 V電壓信號，根據預先的標定轉換為拉/壓力，精度范圍為≤0.3%。數據采集精度為0.001 mV，最大穩定采集率為2 Hz，連接計算機可實時查看拉力變化。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。在試驗中發現，凍結時間太短（＜3 h）水杯無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，凍黏界面達到平衡，繼續延長凍黏時間，對凍黏系數也無影響。

3 試驗結果

采用鋁、銅各10塊作為試驗樣板，所測表面粗糙度數值見表1。

表1 樣板表面粗糙度

通過試驗測得樣板在不同表面粗糙度下的溫度與凍黏系數的關系分別如圖5、6所示，以及在不同溫度下的表面粗糙度與凍黏系數的關系分別如圖7、8所示。

圖5 鋁板溫度與凍黏系數的關系

圖6 銅板溫度與凍黏系數的關系

圖7 鋁板表面粗糙度與凍黏系數的關系

4 試驗結果分析及討論

4.1 溫度對凍黏的影響

從圖5、6中可見，在溫度較高為-6℃時，冰尚處于熱冰狀態，冰與樣板間界面是“流動”的，法向和切向凍黏強度cσ和cτ均很小；隨著溫度下降至-6～-16℃時，凝液層逐漸凝固，cσ和cτ快速增大；當溫度進一步下降至-16～-20℃時，固態化加劇，cσ和cτ雖繼續增大，但因系統所能提供的水分減少，上升趨勢變緩；在溫度繼續下降至-20℃以下后，對cσ和cτ影響均很小，表明界面已達到穩定狀態，整個變化趨勢符合凝液體流動模型預測。

4.2 表面粗糙度Ra對凍黏的影響

從圖7、8中可見，在溫度較高為-6℃時，因界面的“流動”效應，Ra變化對凍黏影響不大；當溫度下降、表面固化加劇時，樣件的cσ和cτ并非隨Ra增大，而單調增大。過于粗糙（Ra＞12）的表面不易被濕潤，隨Ra增大引起凍黏時形成的空泡、氣穴和應力點增多或弱邊界層效應增強，cσ和cτ快速減小；當Ra＜12左右時，Ra減小導致表面的濕潤性和凍黏時的機械聯結效應減小，cσ和cτ持續減小。在Ra=3左右時，cσ和cτ出現1個低谷，較之光潔或粗糙的表面cσ和cτ均增大，表明此時因Ra減小引起濕潤性和機械聯結效應下降對凍黏的影響已極大減弱；Ra繼續減小，界面冰結晶型態改變和化學黏附效應增強，成為影響凍黏強度的主要因素，隨著Ra繼續減小，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度，對于防凍、防黏具有實際意義。

5 結論

（1）凍黏界面的變化總體上符合凝液體流動模型，在熱冰狀態時，凍黏力很小。

（2）對某些利用加熱表面實現防/除冰的部件，若冰所受氣動力或離心力等較大，且在表面溫度低于冰點下時，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）對于部件Ra，使用不同的材料，根據冰黏附后受力特點，采用合適的表面處理技術，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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