[發明專利]超導磁體模擬微重力環境下接觸角測量裝置及其方法

無效

• 申請號: 201110399880.0
• 申請日: 2011-12-06
• 公開（公告）號: CN102564905A
• 公開（公告）日: 2012-07-11
• 發明（設計）人: 尹大川;劉永明;施建宇;鹿芹芹;郭云珠;陳瑞卿
• 申請（專利權）人: 西北工業大學
• 主分類號: G01N13/00
• 分類號: G01N13/00
• 代理公司: 西北工業大學專利中心 61204
• 代理人: 顧潮琪

技術領域

本發明涉及一種測量固—液動、靜態接觸角的裝置和方法。

背景技術

接觸角是指將液體滴在固體水平平面上，在固、液、氣三相交點處，固液界面與氣液界面兩切線把液滴夾在其中所形成的夾角。接觸角是表征液體在固體表面潤濕性的重要參數。通過對接觸角的研究，可以深入理解各種界面現象，獲得固氣界面、固液界面、氣液界面的諸多信息。

文獻“接觸角測量技術的最新進展.理化試驗-物理分冊.2008，44：84-89”報道了接觸角測量技術的最新進展，目前接觸角的測量方法主要有量角法、測力法、小液滴球冠法、液餅法、垂片法、透過法等。方法一：測力法是將測試固體薄板通過金屬絲連接于電子天平，當薄板未浸入液體時，薄板只受到重力作用，得到測力裝置的讀數；當薄板浸入到液體一定深度達到平衡時得到一個讀數，然后通過一系列的數學公式計算得出接觸角的值。在超導磁體大梯度強磁場中，不同位置物體受力不同，顯然，用測力法在超導磁體內測接觸角是不可行的。方法二：小液滴球冠法是在液滴足夠小時，忽略重力的影響，認為液滴是理想的球冠，通過測量液滴的高和球體的直徑應用幾何知識計算出接觸角值。超導磁體可以長時間模擬微重力環境，即使在這種環境下液滴也不可能是理想的球冠，此外液滴太小時受線張力影響顯著，針頭對液滴干擾也大，因此測量值不夠準確。方法三：液餅法是將待測液滴在固體表面上，不斷增加液體的量直到液滴高度不再增加而液滴直徑不斷增加的情況下，量出液滴的高度，記錄液體的體積，再根據相應數學公式計算出接觸角值。這種方法測得的接觸角是一個臨界值，而不是動態的接觸角值。方法四：垂片法是將待測薄片插入水中，由于毛細作用，液體會沿薄片上升，量出上升的高度，根據相應數學公式算出接觸角值。在超導磁體大梯度強磁場中，受空間和CCD觀測系統的限制，此法也難以適用于超導磁體模擬微重力環境下接觸角的測量。方法五：透過法只適用于固體粉末接觸角的測量，但不適用于表面光滑的材料接觸角的測量。

量角法是應用最廣泛、最直接的方法。專利“真實液滴法測試固—液動、靜態接觸角的儀器和方法，CN：101865807?A，2010.10.20”發展了一種基于真實液滴法測量固—液動、靜態接觸角的方法和儀器。這種方法是通過數學算子自動查找實時捕捉圖像的邊緣，從而計算出接觸角。文獻“Low?rate?dynamic?and?static?contact?angles?and?the?determination?of?solid?surface?tensions.Colloid?Surface?A，1996，116(1/2)：63-77”發展了一種用于測量接觸角的ADSA-P軟件，能夠自動計算出接觸角、液體體積、表面能的參數。文獻“The?apparent?contact?angles?of?liquids?on?finely?grooved?solid?surfaces?a?SEM?study.J.Adhesion.1977，8(1)：223-234.”發展了一種從底部擠出和吸入液體的接觸角測量儀，此法很好的避免了針頭對液滴的干擾，測量結果較準確。但是，以上方法和儀器只適用于在重力場下接觸角的測量，這些儀器自動化程度較高、體積龐大、結構復雜。對于超導磁體圓柱形腔室直徑僅為50mm的有限空間來說，根本無法應用。另外超導磁體本身具有高強磁場，而傳統接觸角測定儀、CCD觀測系統一般由鐵磁性的材料制成，因此無法適用于超導磁體內接觸角的測量。

發明內容

為了克服現有技術體積龐大且無法在超導磁體內使用的不足，本發明提供一種在超導磁體模擬微重力環境下固—液動、靜態接觸角測量裝置，滿足在超導磁體模擬微重力環境下測量固—液動、靜態接觸角的同時，也可以滿足在常重力條件下固—液動、靜態接觸角的測量，可進行兩者的對比實驗。

本發明解決其技術問題所采用的技術方案是：包括密閉腔室、CCD觀測系統、進液系統、照明系統和樣品夾系統。密閉腔室是由密封罩圍成一個密閉空間，一端有玻璃視窗，CCD觀測系統置于玻璃視窗外部，可以實時觀測和捕捉圖像；進液系統包括螺紋推桿、進樣器(注射器)、連接軟管和針頭，注射器固定在密閉腔室內，通過旋轉螺紋推桿實現注射器推桿的推拉，進而完成液體的擠出與吸入，注射器出口通過連接軟管連接針頭；照明系統安裝在密閉腔室底部，照明系統的光源正上方依次是樣品夾和針頭，針頭的針尖垂直于樣品夾。