[發明專利]一種通過彈性懸臂梁控制液滴撞后運動軌跡的方法

有效

• 申請號: 202010888965.4
• 申請日: 2020-08-28
• 公開（公告）號: CN111999033B
• 公開（公告）日: 2021-08-20
• 發明（設計）人: 王順;宋美榮;謝黎霞;李偉;黃艷杰;魏民;鄭先福;段虎
• 申請（專利權）人: 河南農業大學
• 主分類號: G01M10/00
• 分類號: G01M10/00;G09B23/08
• 代理公司: 鄭州博派知識產權代理事務所(特殊普通合伙) 41137
• 代理人: 榮永輝

本發明涉及液滴撞擊技術領域，公開了一種通過彈性懸臂梁控制液滴撞后運動軌跡的方法，包括以下步驟：步驟一、彈性材料選擇；步驟二、彈性材料表面處理；步驟三、實驗裝置構建；步驟四、液滴撞擊；步驟五、撞擊過程和撞后行為分析。本發明通過控制液滴撞擊彈性懸臂梁的撞擊條件，如材料的抗彎剛度、親疏水特性、傾斜角度以及水滴在懸臂梁上撞擊位置、撞擊速度等條件，實現了液滴撞后運動方向和軌跡可控，該方法操作簡單，成本低，效果好，可應用于智能傳感器、定向打靶、柔性機器人和能量收集等領域。

技術領域

本發明涉及液滴撞擊技術領域，具體涉及一種通過彈性懸臂梁控制液滴撞后運動軌跡的方法。

背景技術

液滴撞擊固體表面現象廣泛存在于自然界和日常生活中并應用廣泛，如噴墨打印、發電、自清潔、防結冰、農藥噴灑等，因此在液滴與固體表面接觸后如何操縱液滴是至關重要的。降雨是一個自然過程，為植物提供生命所需水和營養物質的同時也有助于葉面病原體的擴散，對全世界糧食產量造成很大的影響。在自然界中，大多數植物葉片具有彈性、可彎曲并具有回彈性，呈單端固定、懸空而立，隨風而動，液滴在這樣一種薄的、彈性懸臂梁上的撞擊現象非常普遍。

液滴撞擊在二維固定剛性基底后的取向運動研究有很多，例如：通過控制表面浸潤性梯度、表面電荷梯度、表面微結構梯度、曲率梯度、添加磁場梯度等。但是，通過控制液滴撞擊彈性懸臂梁來控制撞后的取向運動的研究卻才剛剛開始。本發明中液滴撞擊在彈性超疏水懸梁臂上，通過控制液滴撞擊彈性懸臂梁的撞擊條件，如材料的抗彎剛度、親疏水特性、傾斜角度以及液滴在懸臂梁上撞擊位置、撞擊速度等條件和懸臂梁的傾斜角度，實現任意方向上的可控取向彈跳運動，實現大范圍3D空間上的運動可控，即實現撞擊條件大幅度、大方向靈活操縱液滴撞后行為。這種方法為精確控制液滴撞后行為提供了一種新的有效策略，在智能傳感器、定向打靶、柔性機器人和能量收集等領域具有重要的應用價值。

發明內容

本發明提供一種控制液滴撞后運動軌跡的方法，該方法操作簡單、成本低，通過彈性材料性能及撞擊條件等來操縱液滴撞后運動軌跡的目的。

本發明的目的通過如下技術方案實現：

一種通過彈性懸臂梁控制液滴撞后運動軌跡的方法，包括以下步驟：

步驟一、彈性材料選擇：選擇可彎曲并有回彈性、薄膜型的彈性材料；

步驟二、彈性材料表面處理：通過對彈性材料進行表面粗糙度構筑和表面修飾得到超疏水彈性材料；

步驟三、實驗裝置構建：將步驟二所得的超疏水彈性材料一端固定在玻璃片上，另一端懸空，之后將玻璃片通過夾具固定在一個角度調節器上，得到傾斜角度可調的彈性懸臂梁基底；再將角度調節器放置在三維平臺上；注射器位于彈性懸臂梁懸臂上方，調節光源和高速攝像機位置，使得高速攝像機能夠清晰拍攝液滴撞擊彈性懸臂梁及液滴撞后的運動軌跡，撞擊實驗裝置示意圖如圖1所示；

步驟四、液滴撞擊：控制室內溫度、壓強，將注射器夾在注射泵上，調節彈性懸臂梁傾斜角度，控制液滴高度和液滴撞擊彈性懸臂梁的位置，開啟高速攝像機，拍攝液滴從開始撞擊彈性懸臂梁表面前到最后彈落出界面的過程；

步驟五、撞擊過程和撞后行為分析：分解高速攝像機拍攝的視頻，總結液滴撞擊彈性懸臂梁的接觸時間、接觸線、以及撞后液滴運動軌跡的變化。

進一步地，所述液滴包括表面張力比較高的水滴、無機鹽水溶液的液滴、離子液體的液滴或含少量表面活性劑和聚合物的水溶液液滴等，表面張力應大于60mN/m。

進一步地，步驟一中所述彈性材料包括但不限于尼龍布、紙片、聚四氟乙烯、彈性薄膜類，彈性模量范圍為122-1680Mpa。

進一步地，步驟二中所述超疏水彈性材料表面接觸角大于140°。

進一步地，步驟二中彈性材料表面超疏水處理包括但不限于采用二氧化硅、正己烷或氟硅烷溶液對選取的彈性材料進行修飾或涂敷。