表面粗糙度对冰冻黏强度影响试验研究

丁金波，董 威

（上海交通大学机械与动力工程学院，上海 200240）

0 引言

低温环境下飞机表面积冰和霜层冻黏附着现象，严重影响飞机运行效率和安全性[1-3]。早在20世纪20年代飞机诞生之初，就开始关注并研究冰冻黏现象。冰与飞机部件表面的黏附是静力（机械作用力）、分子间作用力、化学键力等多种因素的组合[4]，黏附强度是由界面冰层的特性决定，受到温度、含水量、冻结速率、材料特性和表面形态等因素的影响，加之在冻黏过程中分子接触不良造成黏结面上留有微孔缺陷，实际黏附面积难以计算，同时受界面残余热应力和收缩应力影响，而现有理论模型和计算方法所得结果往往远大于实际冻黏强度[5-8]。

本文基于冻黏的基本理论，通过试验方法研究在不同结冰环境下的不同表面粗糙度时的冰冻黏强度。

1 冻黏模型和理论概述

图1 界面凝液流动层模型

冰是水在低温下的凝固态，在低于0℃的不同温度段表现出不同的状态，冰的形成环境及冰型是影响冻黏的重要因素。Jellinek[9]根据试验建立了固体表面与冰层界面上的凝液体（高黏度液体）流动模型，如图1所示。温度＞-10℃时会出现表面“流动”现象，此状态的冰称为热冰[10]，随着温度降低，凝液体中的水分逐渐凝结，固态化加剧，同时湿空气中水分析出，与材料表面黏附增强，温度降到一定时，界面系统内部和外部再无更多的水补充，界面达到平衡，继续降温并不会对黏附强度产生太大影响。材料是结冰和冻黏的另一主体，研究表明[11]，材料的表面特性和热特性对结冰及其黏附效应影响很大。在材料表面的诸多特征中，其湿润性和粗糙度对冻黏的影响较大[5]。湿润性是反映液体对固体表面的亲和度，由二者的黏附力以及各自的内聚力决定，黏附力促使液滴在表面铺展，而内聚力则促使液滴保持球状，并避免与表面更多地接触。根据液体间接触角不同，分为完全湿润、湿润和附着湿润，如图2所示。

图2 接触角

从图2中可见，接触角越小，液滴铺展趋势越强；接触面积越大，液体与固体表面的黏附力越强。表面粗糙度变化会引起湿润性变化和冻黏界面状态，从而影响冻黏强度。根据Wenzel[12]模型，有

式中：θ*为实际接触角；θ为理想接触角，也称Young氏接触角；rf为表面粗糙度比，定义为真实固体的表面积与表观面积之比。

从式（1）可见，对亲水性材料（θ＜90°）来说，rf增大将导致θ*减小，改善表面湿润性，湿润更好，水滴更容易在表面铺展，湿润能增加，冻黏强度增大；对憎水材料(θ＞90°)则恰好相反。一方面，金属材料大多是亲水性的，冰与表面的黏附力随粗糙度增加而有所增大；同时，根据机械联结理论，粗糙度增加使冻黏界面形成更多的“销钉”，冰与材料表面联结更加牢固。然而，过于粗糙的表面也不能被很好地浸润，且表面有较多的凹坑和沟壑等缺陷，在结冰时，容易在这些部位吸附气体分子或其他杂质，形成含空泡、气穴的冻黏界面或弱边界层界面，减小实际冻黏面积同时应力集中点增多，降低了冰的黏附强度。另一方面，在光滑表面冻结时，界面水分子排列整齐，材料表面对冰界面的“割裂”较少，形成的冰晶体颗粒大，晶格间的位错少，晶体内部排列规整、应力小，易形成大块晶粒，界面自由能更低，界面更稳定，两相间的接触更加紧密，根据化学黏附理论，界面间的化学键合力可能增大，阻止断裂时冰分子在界面上的相对滑动，宏观上表现为黏附力增大[13-15]。因此，表面粗糙度对冰黏附的影响复杂，目前尚没有很好的理论预测模型。

本文通过大量试验，测试了常用金属材料铝、铜在不同冻结温度下、不同表面粗糙度时的法向和切向冻黏系数（c），即单位面积黏附力大小。

式中：Fσ、Fτ分别为法向力和切向力；S为黏附面积。

2 试验方法

2.1 试验设备

试验设备包括冰箱、试验台架、拉力计、钢丝绳、绞轮、数据采集仪、杯口外倒角的水杯和试验金属样板。样板尺寸为100 mm×100 mm×5 mm，采用不同粗细的砂轮打磨。用来表征材料表面粗糙度的常用物理量有轮廓算术平均偏差Ra、微观不平度十点高度Rz和轮廓最大高度Ry，其中Ra在工程中使用普遍、且最能反映rf，本文采用Ra值表征样件表面粗糙度，如图3所示。

图3 轮廓算术平均偏差Ra

几何意义和计算方法为

使用Mitutoyo SJ-201型便捷式表面粗糙度测量仪测量Ra，探头取样长度L=12.5 mm，探头划过样件表面将数据传入积分计算器，经处理后直接显示Ra值，测量范围为 0～300 μm，测量 5～6 处取平均值得到表面Ra值。试验系统包括试验台架和数据采集箱2部分，如图4所示。

图4 试验系统

2.2 试验方法

测法向应力时，冻黏性好的样件放置在试验台固定架上，固定架可通过锁紧滑套在导轨上左右移动或锁紧在导轨上，以此调节水杯左右位置，推拉样板则可调节水杯前后位置，保证竖直向上拉脱。弹性绳连接水杯底部挂钩和拉力计，并绕过定滑轮连接在绞轮上，启动数据采集仪，缓慢摇动绞轮直至将水杯从样件表面拉脱，停止数据采集，称量结冰水杯质量，拍摄样件表面冻黏情况，利用图像处理软件得到冰实际黏附面积，取最大拉力，并减去结冰水杯质量，视为冰拉脱时的法向拉力Fσ，除以黏附面积S，即得法向冻黏系数cσ。与此类似，在测切向应力时，放置拉力计的支撑台和定滑高度均可调节，以保证水平拉脱，取最大拉力值，视为冰拉脱时的切向拉力Fτ，除以黏附面积S，即得切向冻粘系数 cτ。

试验在0～-30℃内选取4～5个不同温度点测量，每个试验重复进行5次，以减小误差。冷冻温度在0～-32℃可调，冷柜周围放入预制的冰块，以增大热容量。在试验时，用热电偶实时监控冰箱不同部位温度，确保冷柜温度均匀，试验控温精度为±1℃。拉力计测力范围为0～50 kg，输出0.005～5.005 V电压信号，根据预先的标定转换为拉/压力，精度范围为≤0.3%。数据采集精度为0.001 mV，最大稳定采集率为2 Hz，连接计算机可实时查看拉力变化。铝制水杯口径为30 mm，底部可安装挂钩用于竖直拉脱，在杯身中部铣凹槽，以便于水平拉脱，水杯盛满水后放入冰箱，并保持杯口水平，盖上样件。在试验中发现，冻结时间太短（＜3 h）水杯无法很好地与样件冻黏，约3 h后，冰少许突出水杯口，并和样件很好地冻黏在一起，冻黏界面达到平衡，继续延长冻黏时间，对冻黏系数也无影响。

3 试验结果

采用铝、铜各10块作为试验样板，所测表面粗糙度数值见表1。

表1 样板表面粗糙度

通过试验测得样板在不同表面粗糙度下的温度与冻黏系数的关系分别如图5、6所示，以及在不同温度下的表面粗糙度与冻黏系数的关系分别如图7、8所示。

图5 铝板温度与冻黏系数的关系

图6 铜板温度与冻黏系数的关系

图7 铝板表面粗糙度与冻黏系数的关系

4 试验结果分析及讨论

4.1 温度对冻黏的影响

从图5、6中可见，在温度较高为-6℃时，冰尚处于热冰状态，冰与样板间界面是“流动”的，法向和切向冻黏强度cσ和cτ均很小；随着温度下降至-6～-16℃时，凝液层逐渐凝固，cσ和cτ快速增大；当温度进一步下降至-16～-20℃时，固态化加剧，cσ和cτ虽继续增大，但因系统所能提供的水分减少，上升趋势变缓；在温度继续下降至-20℃以下后，对cσ和cτ影响均很小，表明界面已达到稳定状态，整个变化趋势符合凝液体流动模型预测。

4.2 表面粗糙度Ra对冻黏的影响

从图7、8中可见，在温度较高为-6℃时，因界面的“流动”效应，Ra变化对冻黏影响不大；当温度下降、表面固化加剧时，样件的cσ和cτ并非随Ra增大，而单调增大。过于粗糙（Ra＞12）的表面不易被湿润，随Ra增大引起冻黏时形成的空泡、气穴和应力点增多或弱边界层效应增强，cσ和cτ快速减小；当Ra＜12左右时，Ra减小导致表面的湿润性和冻黏时的机械联结效应减小，cσ和cτ持续减小。在Ra=3左右时，cσ和cτ出现1个低谷，较之光洁或粗糙的表面cσ和cτ均增大，表明此时因Ra减小引起湿润性和机械联结效应下降对冻黏的影响已极大减弱；Ra继续减小，界面冰结晶型态改变和化学黏附效应增强，成为影响冻黏强度的主要因素，随着Ra继续减小，cσ和cτ不再减小，反而迅速增大。因此，合理加工Ra可最大限度降低冰的冻黏强度，对于防冻、防黏具有实际意义。

5 结论

（1）冻黏界面的变化总体上符合凝液体流动模型，在热冰状态时，冻黏力很小。

（2）对某些利用加热表面实现防/除冰的部件，若冰所受气动力或离心力等较大，且在表面温度低于冰点下时，也可以很容易脱落，并不一定需要加温至0℃以上，有助于提高防/除冰效率。

（3）对于部件Ra，使用不同的材料，根据冰黏附后受力特点，采用合适的表面处理技术，使部件Ra合理分布，可最大限度地降低冰的黏附力，则冰更容易脱落。

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