[发明专利]一种具有柱状纹理特征的非冻结模型冰制备方法

说明书

本发明涉及一种具有柱状纹理特征的非冻结模型冰制备方法，包括：(1)以石蜡为基材，加热形成液态石蜡，向液态石蜡中加入石膏粉、石英粉和硅粉，得到石蜡混合溶液；(2)将气泵连接进气管，开启气泵通过进气管向分管器中注气，进而向阵列中的各注气管供气；(3)将石蜡混合溶液缓慢倒入模具制模室，为模具底板加热，同时保持气泵供气压力，使得石蜡混合溶液表面持续有气泡溢出破裂；(4)待溶液表面凝固，不再有气泡溢出破裂时，盖上模具盖板，静置待石蜡混合溶液逐渐凝固；随石蜡混合溶液由上至下缓慢凝固，最终会凝固封闭底板注气管气孔，此时停止加热和供气，再静置一段时间待溶液完全凝固。

技术领域

本发明属于涉高寒地区工程技术领域，涉及一种模拟高寒地区海冰的非冻结模型冰生成和制备方法。

背景技术

物理模型试验是冰力学与冰工程学研究中的重要手段。制备能够有效模拟天然海冰物理力学性质的模型冰，是开展冰力学模型试验的基础。目前世界各国研究机构使用的模型冰主要有两种，分别是低温冻结模型冰和非冻结模型冰。低温冻结模型冰可以真实模拟天然海冰的生长过程，已有较成熟技术保证模型冰的微观结构与天然海冰相似，从而有效模拟原型海冰的物理力学性质和破坏进程。然而，低温冻结模型冰的力学性质对环境温度十分敏感，对于一些不适宜在低温拖曳冰水池中进行的模型试验，低温冻结模型冰的使用会受到很大限制。另外，生成和制备低温冻结模型冰需要具备低温实验室等较严苛的试验条件，制备成本高且制备周期较长。

与低温冻结模型冰相比，非冻结模型冰的优势是适用温度范围广，对场景温度要求较低，可应用于不能使用低温冻结冰的试验。同时，非冻结模型冰还有制备成本低、制备周期短等优点。在国外，1971年，英国Hovacraft公司将热石蜡混合物溶液倒至水面冷却，形成非冻结模型冰。这种模型冰的抗弯强度较大，可模拟天然冰的比尺范围很小。1974年俄罗斯学者Berdennikov研发了两种非冻结模型冰，一种使用赛璐珞胶将陶瓷和黏土粘结制成，另一种将发泡聚苯乙烯粒与润滑脂混合制成。1975年，Tryde加热熟石膏、塑料细粒、盐、硼砂和水的混合物再冷却凝固，制取得到密度与天然海冰相近的非冻结模型冰。然而，这种模型冰的抗弯强度相对较高。1977年，加拿大学者Cowly等将聚丙烯细粒作为基材，在表面喷涂处理剂制成模型冰。1978年，加拿大学者Michel使用以石蜡和油为主要成分的混合物，通过加热溶解再冷却凝固的工艺流程，制得性能与Tryde模型冰相近的非冻结模型冰。1984年，Schultz和Free研发了一种MOD非冻结模型冰，这种模型冰是将聚乙烯粉、聚乙烯粒、重植物油、轻植物油和硬脂酸混合物倒至水面冷却制得，适于模拟很薄的冰层。1990年，Beltao等研发了一种SYG非冻结模型冰，其配方为PVC脂、水泥、熟石膏、玻璃小球和水。在国内，2001年大连理工大学的李志军等将聚丙烯粒、白水泥和水混合搅拌、铸模、养生，制成DUT-1非冻结模型冰。这种模型冰可以模拟1:10～1:30比尺范围内的天然冰，通过聚丙烯粒和白水泥的配比调节混合物强度，是一种各向同性材料。2017年，哈尔滨工程大学的骆婉珍等将聚苯乙烯泡沫和石蜡混合制成非冻结模型冰，并用于螺旋桨切冰试验。

由上述各种非冻结模型冰制备技术可知，在多种制备方法中使用石蜡作为模型冰制剂的基材。石蜡是制备非冻结模型冰的良好基材，密度与天然海冰十分接近，同时可以作为各类添加剂的有机溶剂。已有非冻结模型冰制备方法多通过加热得到含有添加剂的石蜡混合溶液，经冷却凝固成型制得模型冰。在石蜡基材中加入各种添加剂，是为了模拟天然海冰中存在的卤水囊、排水通道、气泡等缺陷结构。在加热配置石蜡混合溶液时，需将溶液搅拌均匀，以保证制得模型冰材料性质的均匀。因此，使用这种工艺流程得到的模型冰，其基材截面和内部缺陷分布均不具有天然海冰的柱状构型。

天然海冰在形成之初，因海面扰动首先生成各向同性的粒状层。在粒状层下，水体较为平稳，冰晶体沿垂向快速生长，形成竖直细长的柱状晶体结构，从而得到各向异性的柱状层。天然海冰即是由表面粒状晶层和下面柱状晶层组成的分层材料。其中，柱状晶层是海冰的主要部分，冰内缺陷结构也主要分布在这部分中。柱状晶层的结晶过程和缺陷形成机理，共同决定了其柱状的纹理特征，对发生破坏时的裂纹分布和扩展模式有重要影响。