[發明專利]一種具有柱狀紋理特征的非凍結模型冰制備方法

有效

• 申請號: 201910957219.3
• 申請日: 2019-10-10
• 公開（公告）號: CN110779250B
• 公開（公告）日: 2020-09-25
• 發明（設計）人: 田育豐;黃焱
• 申請（專利權）人: 天津大學
• 主分類號: F25C1/04
• 分類號: F25C1/04
• 代理公司: 天津市北洋有限責任專利代理事務所 12201
• 代理人: 程毓英

本發明涉及一種具有柱狀紋理特征的非凍結模型冰制備方法，包括：(1)以石蠟為基材，加熱形成液態石蠟，向液態石蠟中加入石膏粉、石英粉和硅粉，得到石蠟混合溶液；(2)將氣泵連接進氣管，開啟氣泵通過進氣管向分管器中注氣，進而向陣列中的各注氣管供氣；(3)將石蠟混合溶液緩慢倒入模具制模室，為模具底板加熱，同時保持氣泵供氣壓力，使得石蠟混合溶液表面持續有氣泡溢出破裂；(4)待溶液表面凝固，不再有氣泡溢出破裂時，蓋上模具蓋板，靜置待石蠟混合溶液逐漸凝固；隨石蠟混合溶液由上至下緩慢凝固，最終會凝固封閉底板注氣管氣孔，此時停止加熱和供氣，再靜置一段時間待溶液完全凝固。

技術領域

本發明屬于涉高寒地區工程技術領域，涉及一種模擬高寒地區海冰的非凍結模型冰生成和制備方法。

背景技術

物理模型試驗是冰力學與冰工程學研究中的重要手段。制備能夠有效模擬天然海冰物理力學性質的模型冰，是開展冰力學模型試驗的基礎。目前世界各國研究機構使用的模型冰主要有兩種，分別是低溫凍結模型冰和非凍結模型冰。低溫凍結模型冰可以真實模擬天然海冰的生長過程，已有較成熟技術保證模型冰的微觀結構與天然海冰相似，從而有效模擬原型海冰的物理力學性質和破壞進程。然而，低溫凍結模型冰的力學性質對環境溫度十分敏感，對于一些不適宜在低溫拖曳冰水池中進行的模型試驗，低溫凍結模型冰的使用會受到很大限制。另外，生成和制備低溫凍結模型冰需要具備低溫實驗室等較嚴苛的試驗條件，制備成本高且制備周期較長。

與低溫凍結模型冰相比，非凍結模型冰的優勢是適用溫度范圍廣，對場景溫度要求較低，可應用于不能使用低溫凍結冰的試驗。同時，非凍結模型冰還有制備成本低、制備周期短等優點。在國外，1971年，英國Hovacraft公司將熱石蠟混合物溶液倒至水面冷卻，形成非凍結模型冰。這種模型冰的抗彎強度較大，可模擬天然冰的比尺范圍很小。1974年俄羅斯學者Berdennikov研發了兩種非凍結模型冰，一種使用賽璐珞膠將陶瓷和黏土粘結制成，另一種將發泡聚苯乙烯粒與潤滑脂混合制成。1975年，Tryde加熱熟石膏、塑料細粒、鹽、硼砂和水的混合物再冷卻凝固，制取得到密度與天然海冰相近的非凍結模型冰。然而，這種模型冰的抗彎強度相對較高。1977年，加拿大學者Cowly等將聚丙烯細粒作為基材，在表面噴涂處理劑制成模型冰。1978年，加拿大學者Michel使用以石蠟和油為主要成分的混合物，通過加熱溶解再冷卻凝固的工藝流程，制得性能與Tryde模型冰相近的非凍結模型冰。1984年，Schultz和Free研發了一種MOD非凍結模型冰，這種模型冰是將聚乙烯粉、聚乙烯粒、重植物油、輕植物油和硬脂酸混合物倒至水面冷卻制得，適于模擬很薄的冰層。1990年，Beltao等研發了一種SYG非凍結模型冰，其配方為PVC脂、水泥、熟石膏、玻璃小球和水。在國內，2001年大連理工大學的李志軍等將聚丙烯粒、白水泥和水混合攪拌、鑄模、養生，制成DUT-1非凍結模型冰。這種模型冰可以模擬1:10～1:30比尺范圍內的天然冰，通過聚丙烯粒和白水泥的配比調節混合物強度，是一種各向同性材料。2017年，哈爾濱工程大學的駱婉珍等將聚苯乙烯泡沫和石蠟混合制成非凍結模型冰，并用于螺旋槳切冰試驗。

由上述各種非凍結模型冰制備技術可知，在多種制備方法中使用石蠟作為模型冰制劑的基材。石蠟是制備非凍結模型冰的良好基材，密度與天然海冰十分接近，同時可以作為各類添加劑的有機溶劑。已有非凍結模型冰制備方法多通過加熱得到含有添加劑的石蠟混合溶液，經冷卻凝固成型制得模型冰。在石蠟基材中加入各種添加劑，是為了模擬天然海冰中存在的鹵水囊、排水通道、氣泡等缺陷結構。在加熱配置石蠟混合溶液時，需將溶液攪拌均勻，以保證制得模型冰材料性質的均勻。因此，使用這種工藝流程得到的模型冰，其基材截面和內部缺陷分布均不具有天然海冰的柱狀構型。

天然海冰在形成之初，因海面擾動首先生成各向同性的粒狀層。在粒狀層下，水體較為平穩，冰晶體沿垂向快速生長，形成豎直細長的柱狀晶體結構，從而得到各向異性的柱狀層。天然海冰即是由表面粒狀晶層和下面柱狀晶層組成的分層材料。其中，柱狀晶層是海冰的主要部分，冰內缺陷結構也主要分布在這部分中。柱狀晶層的結晶過程和缺陷形成機理，共同決定了其柱狀的紋理特征，對發生破壞時的裂紋分布和擴展模式有重要影響。