[發(fā)明專利]一種親水粗糙表面上重液滴的接觸角滯后求取方法

在審

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202011244220.0
• 申請(qǐng)日: 2020-11-10
• 公開（公告）號(hào): CN112464527A
• 公開（公告）日: 2021-03-09
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 董健;郭有海;趙逸平;卞銀波;胡光輝;潘新科;胡建良;張王明
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 浙江工業(yè)大學(xué)
• 主分類號(hào): G06F30/23
• 分類號(hào): G06F30/23;G06F30/28;G01N13/00;G06F111/04;G06F113/08;G06F119/14
• 代理公司: 杭州天正專利事務(wù)所有限公司 33201
• 代理人: 王兵

一種親水粗糙表面上重液滴的接觸角滯后求取方法，包括：(1)構(gòu)建親水表面上的重液滴系統(tǒng)；(2)推導(dǎo)重液滴在規(guī)則粗糙親水表面上的系統(tǒng)無(wú)量綱總能量函數(shù)：(3)當(dāng)液滴的接觸圓半徑r_b已知情況下求取液滴輪廓和表觀接觸角；(4)求取液滴在水平親水粗糙表面上滯后角和截面輪廓。本發(fā)明利用極坐標(biāo)系對(duì)重液滴輪廓進(jìn)行劃分，同時(shí)結(jié)合MATLAB軟件中‘fmicon’函數(shù)的進(jìn)行編程，通過(guò)輸入給定液滴和表面的幾何參數(shù)下，就可以快速計(jì)算出重液滴界面輪廓曲線和滯后角值，為親水表面接觸角滯后測(cè)定實(shí)驗(yàn)提供指導(dǎo)作用。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種水平親水粗糙表面上重液滴接觸角滯后求取方法。

背景技術(shù)

接觸角滯后現(xiàn)象研究存在于工業(yè)、農(nóng)業(yè)、醫(yī)學(xué)、生物學(xué)和超親/疏水材料等諸多領(lǐng)域，在親/疏水表面上液體的浸潤(rùn)、沸騰、鋪展和冷凝等過(guò)程中扮演著十分重要的角色。重液滴在理想的光滑、均質(zhì)表面上處于熱力學(xué)平衡狀態(tài)，此時(shí)接觸角有唯一值。但是實(shí)際固體表面有一定粗糙度，由于粗糙度、化學(xué)成分的不均勻等原因，三相接觸線移動(dòng)使得實(shí)際固體表面上的接觸角并非Young方程、Wenzel方程和Cassie方程所預(yù)示的取值唯一，而是在前進(jìn)角和后退角之間變化，它們的差值就是接觸角滯后，這種現(xiàn)象被稱為接觸角滯后現(xiàn)象(CAH)。接觸角滯后反映了液滴在表面上移動(dòng)的難易程度，接觸角滯后越小液滴越容易移動(dòng)。接觸角滯后的研究對(duì)液滴在固體表面的鋪展與運(yùn)動(dòng)過(guò)程分析和各種親/疏水表面的應(yīng)用具有指導(dǎo)作用和重要意義。

目前，表面上重液滴接觸角滯后研究方法主要有三種：斜板法,吊片法,增/減體積法等，但目前廣泛使用的測(cè)定方法是增/減體積法。為了簡(jiǎn)化接觸角滯后計(jì)算步驟，節(jié)省計(jì)算時(shí)間，基于該方法利用最小總能量理論結(jié)合非線性優(yōu)化的有限差分法，并利用MATLAB的fmincon函數(shù)編程來(lái)計(jì)算水平親水表面上液滴接觸角滯后。

專利申請(qǐng)?zhí)?01810413042.6,公開日2018年11月13日,公開了“一種水平規(guī)則雙粗糙度表面重液滴接觸角滯后的計(jì)算方法”。此專利針對(duì)微納復(fù)合結(jié)構(gòu)的疏水表面,主要討論了四類液滴潤(rùn)濕狀態(tài)下,隨著液滴浸潤(rùn)深度x1和x2變化,系統(tǒng)總能量與液滴在固體表面接觸角之間的聯(lián)系,確定系統(tǒng)的最小總能量和相應(yīng)的穩(wěn)定潤(rùn)濕狀態(tài)及液滴滯后角。在對(duì)重液滴截面輪廓進(jìn)行劃分時(shí)，采用直角坐標(biāo)系進(jìn)行離散計(jì)算量會(huì)比較大，同時(shí)不適合計(jì)算具有親水特性的粗糙表面上液滴分析，因此本發(fā)明采用極坐標(biāo)系對(duì)液滴輪廓曲線劃分，大大提高了計(jì)算效率，同時(shí)適用于親水粗糙表面分析。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明要克服現(xiàn)有技術(shù)的上述缺點(diǎn),提供一種給定水平親水粗糙表面上重液滴接觸角滯后求取方法,能夠快速計(jì)算水平親水粗糙表面上重液滴的接觸角滯后(CAH)。

一種親水粗糙表面上重液滴的接觸角滯后求取方法，步驟如下：

(1)構(gòu)建親水表面上的重液滴系統(tǒng)；

親水表面上的重液滴系統(tǒng)是由液滴和微結(jié)構(gòu)表面區(qū)域構(gòu)成組成，其中表面上周期性分布微米柱，該系統(tǒng)的幾何參數(shù)為:圓柱的直徑d、圓柱間距a和柱高h(yuǎn)。液滴在水平表面上的輪廓是軸對(duì)稱圖形，因此，通過(guò)液滴截面輪廓可分析出液滴接觸角滯后現(xiàn)象。選擇極坐標(biāo)系來(lái)分析液滴的輪廓曲線，定義與液滴表觀接觸面平行且水平右方向?yàn)閅軸正方向，將液滴的接觸面的對(duì)稱軸的交點(diǎn)定義為原點(diǎn)O，把垂直于接觸面且通過(guò)原點(diǎn)的方向定義為Z方向,X正方向?yàn)榇怪庇赮OZ平面且由內(nèi)向外的指向。定義從O點(diǎn)到液滴輪廓曲率上的一點(diǎn)距離為矢徑與Z軸正方向之間的夾角為還定義了h_a為接觸面到液滴頂點(diǎn)的距離，h_amax為h_a最大值，r_b-1為接觸圓的半徑，r_bmax為r_b-1的最大值。

(2)推導(dǎo)重液滴在規(guī)則粗糙親水表面上的系統(tǒng)無(wú)量綱總能量函數(shù),推導(dǎo)過(guò)程如下：

21.構(gòu)建系統(tǒng)模型幾何參數(shù)關(guān)系式；

表面的粗糙度，即實(shí)際固-液接觸面積總面積與表觀固-液表面積之比：