专利名称：基于平板夹具变换间隙的超疏水表面流体滑移测量方法
技术领域：
本发明涉及超疏水表面流体滑移减阻技术领域，特指一种基于平板夹具变换间隙
的超疏水表面流体滑移长度测量技术，其适用于采用平板夹具对超疏水表面开展的流体滑移研究中。
背景技术：
超疏水表面流体滑移减阻技术是目前流体减阻领域研究的热点之一，最近在理论上和模拟上取得了很大的进展。根据预测，超疏水表面具有比疏水表面更能产生大的流体滑移，滑移长度相差数十倍甚至数千倍。这有望用于工业中以实现较高的传热传质效率，起到节能减阻作用。其中超疏水表面流体滑移长度是基于Navier滑移定义的，如图l所示，流体滑移长度b定义为流体1的速度轮廓延伸到表面内部使流体速度消失的点到表面2之间的距离，根据定义，可将流体滑移长度拓展到超疏水表面的流体滑移减阻研究领域，即流体的滑移长度b为流体的平均滑移速度和平均剪切速率的比值，采用公式表示为
b = vs/(dv/dz) = vs n / t (1) 其中vs为流体的平均滑移速度，v(z)为流体在z平面的平均速度，n为流体的粘度，t为流体承受的剪切应力。 虽然在超疏水表面流体滑移减阻的理论分析和数值模拟领域已取得了较大的进展，然而，由于超疏水表面流体滑移的测试手段欠缺，理论上和模拟上的结果还未能完全得到实验验证。0u等在2004年和2005年采用微结构表面构造管道，并通过流量_压降法对表面的减阻效果进行研究。他们采用的方法需要构造超疏水管道，增大了超疏水表面流体滑移的研究难度；而且，测试方法中流体承受较大的压强，这导致流体在超疏水表面上容易发生超疏水状态转换，失去测量的意义。2006年，加州大学洛杉矶分校的Choi等和美国新墨西哥大学的Truesdell等分别采用流变仪的锥板夹具和杯形夹具对超疏水表面的滑移长度和减阻效果进行测试，发现了较为可观的表面流体滑移和减阻效果。然而，由于采用杯形夹具，Truesdell的方法实施起来不方便；而Choi测试时采用的锥板夹具需要与测试表面之间形成确定的间隙，需要对流体的体积进行良好的控制，采用一般的液体量具难以达到精度要求，使得采用锥板夹具的测量方法实现起来也相当困难；而且，在对锥板夹具进行位置标定时，锥板夹具的锥尖容易破坏测试表面或引起表面较大的变形，最终使得测试不能开展。Li Jian等在2009年在Chinese Science Bulletin第24期中提出了一种基于边界控制的超疏水表面流体滑移长度的测量方法，通过对表面上的超疏水区域进行控制加工，使直径较小的圆区域被加工成超疏水区域，而其他区域仍为光滑疏水区域，从而实现流体在表面边界上的稳定控制，在此基础上，对比在超疏水表面上和作为比较的光滑疏水表面上测试得到的施加在夹具上的扭矩以计算流体在超疏水表面上的滑移长度。该方法的原理是通过比较流体在超疏水表面和疏水表面上的滑移长度差别来实现的，其中假设流体在光滑疏水表面上的滑移长度为零，并需要与光滑疏水表面上的流体滑移进行比较才能得到流体的滑移长度。
为实现广泛的超疏水表面尤其是软材料制备的超疏水表面上的流体滑移长度研究，并且使超疏水表面上的流体滑移长度独立与光滑疏水表面上的流体滑移长度，本专利提出了一种基于平板夹具变换间隙的超疏水表面流体滑移长度测试方法。
发明内容
本发明的目的是使流体铺展边界可控并且使测试方法适用于广泛的脆性材料或
软材料超疏水表面上的流体滑移测量，实现超疏水表面流体滑移长度的精确测试。 发明的技术方案如下 —种基于平板夹具变换间隙的超疏水表面流体滑移长度测试方法，其特征在于该方法按如下步骤进行 1)确定测试夹具，根据夹具直径制备超疏水表面。超疏水表面上具有超疏水区域和光滑疏水区域，超疏水区域形状为圆形，其半径比夹具半径小，超疏水区域外部是光滑疏水区域。 2)将超疏水表面装夹在流变测试平台上，对制备的超疏水表面上的流体进行多次流变测试，多次流变测试时采用不同的间隙，获取多次测试时施加在平板夹具上的扭矩，根据多组扭矩以及测试过程中平板夹具、超疏水表面和流体的参数计算出超疏水表面上流体的滑移长度。 上述方法中，测试夹具可选为标准平板夹具，直径为①20mm，①40mm或①60mm，也可选为定制的平板夹具，平板夹具直径按需要确定；超疏水表面是先确定平板夹具的直径再制备的，是面向测试的超疏水表面，该表面可通过高能束直写加工方法和其他超疏水制备方法辅以掩模来制备。 上述方法中，对超疏水表面进行测试时首先将超疏水表面装夹于测试平台上，该过程需要保证超疏水表面上的超疏水区域与平板夹具的对中性，通过观察法实现，实现过程为将超疏水表面放置于测试平台上，移动平板夹具靠近超疏水表面，平板夹具距超疏水表面小于500 ii m，观察平板夹具四周边界与表面上的超疏水区域四周边界的距离，并进行微调节使它们在四个方向均匀。 上述方法中，间隙是指测试过程中平板夹具与超疏水表面之间的距离，测试时采用不同的间隙，间隙设置范围为100 3000 iim。 上述方法中，测试的过程为标准的测试过程，是首先对平板夹具位置进行标定，对平板夹具进行映射，并设置测试参数。 上述方法中，流体滑移长度的定义式为(1)式，并采用如下的具体计算公式进行计算
<formula>formula see original document page 4</formula>/-^-^- (3) + j^V(A - A)-(A + A)(^A4 -4(M2《-碼《)2 其中M工和M2分别为同一剪切速率下间隙设置为D工和D2时测量得到的扭矩，1^和尺2夹具半径和测试表面上超疏水区域的半径。其中公式(2)可通过迭代法求解，公式(3)为直接求解公式。 本发明具有如下技术优势 测试过程的破坏性小，本发明与锥板测量法相比，由于夹具位置标定时夹具与表面的接触面积增大，单位表面微结构所承受的力作用小，对表面的破坏小，表面变形小。
测试结果更精确，由于夹具位置标定时表面的变形小，夹具的位置误差小，这使得测试结果精度得到提高。 测试稳定性高，测试的超疏水表面上的流体滑移长度不依赖于疏水表面上的流体滑移长度，提高了测试的稳定性。
图1流体滑移长度定义 图2测试中超疏水表面、流体和平板夹具位置示意图 图3基于变换间隙的流体滑移测试原理图 图4同心圆光栅结构超疏水表面上的流体滑移长度 1流体，2光滑疏水表面，3平板夹具，4超疏水表面，5超疏水表面上的超疏水区域，6超疏水表面上的疏水区域，7测量的超疏水表面流体滑移长度，8理论分析的超疏水表面流体滑移长度。
具体实施例方式
下面结合图2和图3说明本发明提出的具体工艺的实施细节和工作情况。
首先确定平板夹具3的直径，确定平板夹具3后根据平板夹具直径加工超疏水表面4，超疏水表面4分为超疏水区域5和光滑疏水区域6，超疏水区域5的外观形状为圆形，其直径略小于平板夹具的直径，小1 3mm时测量效果较好。图2给出了流体1完全铺展时平板夹具3、流体1和超疏水表面4之间的位置关系，由于超疏水区域5 (微结构区域)直径较小，测试时流体1铺展边界与超疏水表面4上的光滑疏水区域6接触，流体1容易铺展从而使其在超疏水表面4上的表观接触面积与夹具3的面积相等，使流体1的铺展形状对测量结果的影响达到最小。 装夹超疏水表面于测试平台上的过程按发明内容所述进行，之后添加适量流体1于测试的超疏水表面4上，流体1的体积V的计算公式为
7 =《￡> (4) 其中D为测试时设定的间隙。设定平板夹具3的转速为lrad/s，手动移动平板夹具3使其靠近超疏水表面4，直至流体1完全铺满间隙空间为止。 设定测试参数，并进行流变测试。温度设置为15 30°C ，预剪切过程的剪切速率
5为1 20s—、测试的剪切速率分布为1 150s—、每个剪切速率下首先稳定10 30s后读 取数据，读取数据时间为30 60s，并对该时间段的数据进行取平均值。
采用同样的超疏水表面4和流体1在变换间隙后进行流变测试，两种测试情况的 关系如图3所示，两种情况下所采用的平板夹具3和超疏水表面4相同，添加流体1时采用 不同的体积，从而使得流体1铺展满间隙时得到的平板夹具3到超疏水表面4之间的间隙 不同。在两种测试情况下获取测试得到的施加在平板夹具3上的扭矩，将两组测试扭矩代 入到公式(2)或(3)中求得超疏水表面流体滑移长度。对于多种间隙的情况，将相邻的两 间隙情况下得到的扭矩代入到(2)或(3)中计算出流体的滑移长度，并将计算得到的多组 滑移长度求平均以获取流体在超疏水表面上的滑移长度。
实施例(同心圆光栅超疏水表面流体滑移测量) 采用AR-G2流变仪进行测量。首先选定直径为①40mm的标准平板夹具。根据 平板夹具直径采用飞秒激光直写加工方法在K9玻璃表面加工微结构表面，微结构表面 上的微结构区域为圆形，区域直径为①38mm。加工得到的微结构周期为100iim，突起宽 度约为20 ii m。加工后对K9玻璃表面进行硅烷化处理以实现微结构区域的超疏水性能， 处理过程为将K9玻璃表面放入玻璃皿中，并在样品四周的玻璃皿内部注入数滴氟硅烷 Trichloro (1H， 1H， 2H， 2H-perf luo-rooctyl) silane，将玻璃皿放置于真空干燥箱中并将真 空抽至10Pa以下，将温度加热至9(TC，保温100min完成硅烷化处理过程。处理后得到的 K9玻璃表面即为测试的超疏水表面。 按前述的装夹方法将超疏水表面装夹到流变测试平台上对夹具位置进行标定并 对夹具进行映射，操作按流变测试手册的标准操作进行。 根据公式(4)添加约0. 65mL浓度为70wt%的甘油溶液于超疏水区域，设定夹具的 转速为lrad/s，手动移动夹具使其靠近超疏水表面，直至流体完全铺满间隙空间为止。设定 测试参数，并进行流变测试。温度设置为2(TC，预剪切过程的剪切速率为10s—、测试的剪切 速率分布为1 100s—、每个剪切速率下首先稳定30s后读取数据，读取数据时间为30s，读 取该剪切速率下的扭矩测量结果，循环对多个剪切速率下的扭矩进行测试。
采用相同的超疏水表面表面和流体，变换流体体积为1. 30mL，获取测试的扭矩。将 两组测试扭矩代入到公式(2)或(3)中求得超疏水表面流体滑移长度。测试中两次间隙分 别为550ym禾P llOOym，测试结果如图4所示。图4中的曲线7为根据测量结果计算得到 的超疏水表面上流体的滑移长度，在剪切速率较低(剪切速率小于20s—0时，滑移长度为 42士3iim，曲线8为根据理论计算得到的流体滑移长度，其值为37. 5ym。两条曲线在剪切 速率较小是取得了较好的一致，因此，在剪切速率较低时，超疏水表面流体滑移的测试结果 与理论计算结果吻合得很好。
权利要求
基于平板夹具变换间隙的超疏水表面流体滑移长度测试方法，首先制备超疏水表面，超疏水表面上具有超疏水区域和光滑疏水区域，超疏水区域形状为圆形，超疏水区域半径R2小于平板夹具的半径R1，超疏水区域外部是光滑疏水区域，其特征在于将超疏水表面装夹在流变测试平台上，对超疏水表面上的流体进行多次流变测试，多次流变测试时采用不同的间隙，获取多次测试时施加在平板夹具上的扭矩，根据相邻的两间隙情况下得到的两组扭矩、测试过程中平板夹具R1、超疏水区域半径R2和相应的两组间隙作为计算参数计算出超疏水表面上流体的滑移长度。
2、根据权利要求1所述的滑移长度测试方法，其特征在于对超疏水表面上的流体进行流变测试前，将超疏水区域与平板夹具进行对中操作，具体为将超疏水表面放置于测试平台上，移动平板夹具靠近超疏水表面，平板夹具距超疏水表面应小于500 m，观察平板夹具四周边界与表面上的超疏水区域四周边界的距离，并进行微调节使它们在四个方向均匀。
3、根据权利要求1所述的所述的滑移长度测试方法，其特征在于以两组间隙下测量得到的扭矩对具体滑移长度的计算公式为<formula>formula see original document page 2</formula>其中M工和M2分别为同一剪切速率下间隙设置为D工和D2时测量得到的扭矩，1^和R2平板夹具半径和超疏水区域的半径。
4. 4、根据权利要求1所述的滑移长度测试方法，其特征在于平板夹具采用标准平板夹具，直径为O20mm、①40mm或①60mm ;或为定制的平板夹具，平板夹具直径按需要确定。
5.5、根据权利要求1所述的滑移长度测试方法，其特征在于间隙是指测试过程中平板夹具与超疏水表面之间的距离，测试时采用不同的间隙，间隙设置范围为100 3000 iim。
6. 6、根据权利要求1所述的滑移长度测试方法，其特征在于超疏水区域的半径比平板夹具的半径小0. 5 1. 5mm。
7. 7、根据权利要求1所述的滑移长度测试方法，其特征在于流变测试时的测试条件为温度设置为15 3(TC，预剪切过程的剪切速率为l-20s—、测试的剪切速率分布为1 150s—、每个剪切速率下首先稳定10 30s后读取数据，读取数据时问为30 60s，并对该时间段的数据进行取平均值。
全文摘要
基于平板夹具变换间隙的超疏水表面流体滑移长度测试方法，首先制备超疏水表面，超疏水表面上具有超疏水区域和光滑疏水区域，超疏水区域形状为圆形，超疏水区域半径R2小于平板夹具的半径R1，超疏水区域外部是光滑疏水区域，其特征在于将超疏水表面装夹在流变测试平台上，对超疏水表面上的流体进行多次流变测试，多次流变测试时采用不同的间隙，获取多次测试时施加在平板夹具上的扭矩，根据相邻的两间隙情况下得到的两组扭矩、测试过程中平板夹具R1、超疏水区域半径R2和相应的两组间隙作为计算参数计算出超疏水表面上流体的滑移长度。本发明测试过程的破坏性小，测试结果更精确，测试稳定性高。
文档编号G01N13/00GK101776562SQ200910264030
公开日2010年7月14日 申请日期2009年12月29日 优先权日2009年12月29日
发明者周明, 李健, 蔡兰, 高传玉 申请人:江苏大学