基于流体边界控制的超疏水表面流体滑移定量测量方法

摘要

基于边界控制的超疏水表面流体滑移长度测试方法，其特征在于：首先制备出超疏水表面，对制备的超疏水表面进行处理，将处理后的超疏水表面装夹于流变测试平台上，进行夹具位置标定和夹具映射；对超疏水表面上进行流变测试操作，并在同样的测试条件下对光滑疏水表面上的流体进行流变测试操作，获取两种情况下流体处于相同剪切速率时施加在夹具上的扭矩，并根据测量扭矩计算出滑移长度。本发明测试范围更为广泛，已经拓展到已制备的一般的超疏水表面上的流体滑移长度的测量中，而不仅针对表面上超疏水区域为圆形、超疏水区域外为光滑疏水表面的超疏水表面上的流体滑移。

说明书

技术领域

本发明涉及超疏水表面流体滑移减阻技术领域，特指一种基于流体边界控制的超疏水表面流体滑移测量技术，其适用于超疏水表面上的能够处于超疏水状态的流体的滑移长度测量和研究。

背景技术

由于其特殊的超疏水效应，超疏水表面在近年的研究中得到广泛的关注，已有大量的超疏水表面制备技术的报道，如中科院的江雷课题组对超疏水表面的报道。在此基础上，超疏水表面已逐步应用到工程中以防止液体粘附、保持表面清洁。已有的研究都表明，超疏水表面所特有的超疏水效应是由液体与表面间的复合接触界面实现的，该复合界面由液固界面和液气界面共同构成。根据滑移减阻理论，这种复合接触界面有利于流体滑移的产生，可用于工程流体减阻领域，因此，超疏水表面在流体减阻研究和工程应用领域具有巨大的应用潜力。

滑移现象一般通过滑移长度来刻画，根据Navier对滑移长度的定义，对于光滑疏水表面，流体滑移长度为流体速度为零的点到表面之间的距离，如图1所示。流体1在光滑疏水表面2上具有滑移速度v_s，则滑移长度b为：

b＝v_s/(dv/dz)    (1)

其中v为流体的速度，可表示为关于z的函数v(z)。对于超疏水表面，根据Lauga等对流体滑移长度的定义，流体滑移长度是流体平均速度消失的点到表面之间的距离，则根据定义，超疏水表面上流体滑移长度计算公式为：

b＝v_s/(dv/dz)＝v_sη/τ    (2)

其中v_s为流体在超疏水表面上的平均滑移速度，dv/dz为超疏水表面上的流体所承受的平均剪切速率，η为流体的粘度，τ为流体承受的平均剪切应力。到目前为止，Philip、Lauga等人以及Charlaix课题组相继对超疏水表面流体滑移进行了理论和模拟研究。然而，由于其测试技术的欠缺，目前对超疏水表面流体滑移减阻方面开展的实验研究工作甚少。首先对超疏水表面流体滑移开展实验研究的是Ou Jia等人，他们采用构建管道法对超疏水管道内流体的滑移情况进行了研究。由于实施困难，他们的方法在研究领域应用很少。2006年，Choi等采用流变仪对超疏水表面流体滑移进行了研究。他们首次采用流变仪系统的锥板夹具对超疏水表面流体滑移进行研究，建立了测试模型。然而，由于液体在超疏水表面和疏水表面(测试夹具)之间的间隙内的填充具有横截面不均匀的特点，该特点如图2所示，夹具3和超疏水表面5之间的流体1的侧面外观轮廓不是测试所需的标准鼓状轮廓，因此，采用Choi的方法进行测试时带来了较大的滑移长度偏差(以下称超疏水表面润湿性能导致的滑移长度测试偏差)。Bocquet课题组对Choi的方法也提出了这方面的质疑，他们认为超疏水表面润湿性能导致的滑移长度测试偏差差远比滑移长度真值大，测试结果不能说明超疏水表面的流体减阻性能，但他们并没有给出改进方法。Li Jian等在2009年在Chinese Science Bulletin第24期中提出一种通过控制边界方法测试超疏水表面上的流体滑移长度，但他们的测试对象只限于专门加工超疏水表面(在加工过程中保证超疏水区域面积小于夹具面积，而其他区域为光滑的疏水表面)，对于已制备好的具有非规则边界的超疏水表面上的流体滑移则难以进行测试。

发明内容

本发明的目的是对Li Jian等提出的方法进行改进，将其扩展到普遍的超疏水表面上能够处于超疏水状态的流体的滑移长度测量中。

发明的技术方案如下：

一种基于边界控制的超疏水表面流体滑移长度测试技术，其特征在于该方法按如下步骤进行：

1)首先制备出超疏水表面，对制备的超疏水表面进行处理，将处理后的超疏水表面装夹于流变测试平台上，按流变测试手册的指导进行夹具位置标定和夹具映射。

2)在超疏水表面上添加流变测试手册所建议体积的流体，进行流变测试操作，并在同样的条件下对光滑疏水表面上的流体进行流变测试操作，获取两种情况下流体处于相同剪切速率时施加在夹具上的扭矩，并根据测量扭矩计算出滑移长度。

上述方法中，夹具可确定为标准夹具，即直径为Φ20mm、Φ40mm或Φ60mm的锥板夹具或平板夹具，也可为定制的特制夹具，直径按需要确定。根据夹具直径对超疏水表面进行处理的过程如下：加工直径比夹具直径小的圆形掩模，再加工另一孔径与夹具直径相等的掩膜，将制备的两掩膜同心附着在超疏水表面上(超疏水表面采用其他方法制备，与本专利的具体实施细节无关，不予详述)，之后对被掩模覆盖的超疏水表面进行亲水处理，使两掩膜之间的空隙处的超疏水表面具有亲水涂层，呈现亲水性能。

上述方法中，装夹超疏水表面时需要保证夹具与表面上的亲水圆环区域之间的对中性，实现对中性的过程是：将表面放置于测试平台上→手动移动夹具使夹具靠近表面，表面与夹具的距离小于500μm→观察表面上的亲水涂层区域边界与夹具边界的距离关系，微调表面位置，使亲水涂层区域边界与夹具边界的在四个方向的间隙相等。

上述方法中，超疏水表面上流体滑移长度定义式为(2)式，采用平板夹具进行测量时的流体滑移长度计算公式为：

b＝(1-M_SH/M_H)D/((d₁/d₂)⁴-(1-M_SH/M_H))    (3)

采用锥板夹具进行测量时的流体滑移长度b的计算公式为：

$b=\frac{d_1}{2}-\sqrt{{\left(\frac{d_1}{2}\right)}^2-\frac{4}{3d_1}{d}_2^3\tan \alpha (1-\frac{M_{\mathrm{SH}}}{M_H}-\frac{d_1^3}{d_2^3})}---\left(4\right)$

其中M_SH和M_H分别为对超疏水表面和光滑疏水表面进行测试时得到的扭矩，d₁为亲水区域所包围的超疏水区域的直径，d₂为亲水区域的外直径，等于夹具直径，α为锥板夹具母线与测试平面的夹角。上式是将在光滑疏水表面上测量得到的流体表观粘度作为流体粘度η，并将超疏水表面上测量得到的平均剪切应力代入到(2)式推导出来的，并假设其中的流体滑移长度和滑移速度满足Navier滑移关系(1)。

本发明具有如下技术优势：

显著提高测试精度，与Li Jian文中的方法一样，本发明中超疏水表面润湿性能导致的滑移长度测试偏差，保证了系统的测量精度。

保证测试过程中超疏水表面的超疏水性能的稳定性，本发明中流体承受的压强较低，不会发生流体在表面上的超疏水状态转换。

测试范围更为广泛，将Li Jian的测试方法拓展到已制备的一般的超疏水表面上的流体滑移长度的测量中，而不仅针对表面上超疏水区域为圆形、超疏水区域外为光滑疏水表面的超疏水表面上的流体滑移。

附图说明

图1表面流体滑移长度定义

图2基于流变仪平台的超疏水表面流体滑移长度测试中流体的特殊铺展示意图

图3超疏水表面处理过程示意图

图4采用平板夹具的基于边界控制的超疏水表面流体滑移测试原理图

图5采用锥板夹具的基于边界控制的超疏水表面流体滑移测试原理图

1测试流体，2光滑疏水表面，3平板夹具，4锥板夹具，5超疏水表面，6Cassie接触区域，7Wenzel接触区域，8掩模，9亲水涂层。

实施方式

下面结合图3～5说明本发明提出的具体工艺的实施细节和工作情况。

实施例一(采用平板夹具测量，如图3、图4)

图3为对已制备的超疏水表面进行处理的过程示意图。首先加工出两掩模8，圆形掩模的直径d₁比夹具d₂直径小，小1～3mm时效果较好，圆孔掩模的孔径d₂与夹具直径d₂相等，外部形状无特殊要求，如图3(a)所示。将制备好的掩模8覆盖于超疏水表面5上，如图3(b)所示。对覆盖有掩模8的超疏水表面5进行亲水处理，一般采用喷金或喷亲水金属材料处理，也可以采用其他的亲水涂层处理方法，进行亲水涂层处理后的超疏水表面5和掩模表面8上具有极薄的涂层9，如图3(c)所示。去除掩模后，在掩模8未覆盖的圆环区域上的超疏水表面5上具有残留的亲水涂层9，如图3(d)所示。亲水涂层9在超疏水表面5上的分布如图3(e)所示，亲水涂层9为圆环形状，此时，若流体铺展到圆环的内径处，将继续铺展，直到达到圆环外径边界为止。

图4为采用平板夹具的测试原理。图4(a)是对超疏水表面5上的流体1进行测试时的平板夹具3、流体1和超疏水表面5之间的位置关系，在亲水涂层覆盖的区域，流体1与超疏水表面5形成Wenzel接触区域7(一般情况下，流体处于Wenzel接触时的滑移长度很小，可忽略)，而该区域所包围的超疏水表面5与流体1形成Cassie接触区域6。Wenzel接触区域的外径与夹具3的直径相等，流体1在处理后的超疏水表面5与夹具3之间的侧面外观形状为标准的鼓形，满足流变仪系统对流体铺展的外形要求。采用该情况下测量得到的施加在平板夹具3上的扭矩与光滑疏水表面2测试情况(如图4(b)所示)得到的施加在平板夹具3上的扭矩进行比较可计算出流体在超疏水表面5上的滑移长度，计算公式采用计算公式(3)。

本发明与Li Jian等提出的方法的不同之处在于首先对表面的处理过程不同，但都达到控制液体铺展边界的目的，后续的对超疏水表面进行流变测试的过程亦相同，因此，该方法的正确性可由Li Jian文中的结果予以证实。

实施例二(采用锥板夹具测量，如图3、图5)

与实施例一的不同之处在于采用锥板夹具4进行测量，所使用的流体滑移长度计算公式采用计算公式(4)。