一种测量液滴在固体表面摩擦力的装置的制作方法

本发明所属界面分析测试领域，涉及一种界面摩擦力装置，特别涉及一种测量液滴在固体表面摩擦力的装置。

背景技术：

固液界面行为在我们的生活中无处不在，液滴在不同的材料或结构表面呈现出不同的浸润行为。以“荷叶”为代表的低黏附超疏水表面和以“红玫瑰”为代表的高黏附超疏水表面吸引了许多研究人员的关注，这两种不同的固液界面行为在人们的日常生活以及工业生产中都有着极其广泛的应用前景。

由于低黏附超疏水表面与液滴的黏附性很小，导致液滴与超疏水表面具有较小摩擦力，液滴很容易从这种表面滚落，所以低黏附超疏水表面具有很强的自清洁性能力，防水防污能力以及防雾防霜冻的能力。基于这些性能，这种低黏附超疏水表面在生产生活中有许多应用，如应用在玻璃、水泥等建筑物上，可以使建筑物具有自清洁性能，减轻人工清洗难度；应用于室外的电线杆，太阳能电池板上可以减少雨雪的黏附；应用在纺织衣物方向，可以制作防雨服、挡雨帐篷和防水防污鞋子；应用在制作船舶方向，可以减小船舶行进过程中的阻力，减小能源消耗。

液滴在高黏附超疏水表面往往具有较大的摩擦力，不易脱离高黏附超疏水表面，因此这种表面可以作为“机械手”来运输微量液滴，即通过这种具有高黏附的超疏水表面实现一些昂贵液滴的无损转移。该表面可应用在微流体设计领域，实现对微流体的流速和流量控制；可应用在液滴收集领域，如设计类似“蜘蛛网”的结构来收集空气中的水，供给缺水地区。

通过研究固液界面行为，人们能在不同领域实现自清洁、吸附、抗结冰、抗粘附等功能。在固液界面行为中，固液界面摩擦力是液滴在固体表面最主要的作用力，研究固液界面摩擦力能够极大地帮助理解微纳米尺度下液体与固体界面的润湿性为。因此，如何简单精确测量固液界面摩擦力成为固液界面行为研究中一个很重要的内容。目前，对固液界面摩擦力的研究主要是通过倾斜板和原子力显微镜等装置实现。倾斜板装置是通过观测液滴在重力作用下在倾斜板上的运动规律进而计算得到液滴在固体表面摩擦力，该方法虽然操作简单，但是测量精度低，受液滴尺寸影响很大。此外，原子力显微镜以及表面仪等属于精密仪器，在测量摩擦力过程中对实验环境，实验人员，实验过程和试验样品都有着极高的要求，且微小的变化因素会造成极大的实验误差。因此，亟待开发一种操作便捷，测量精度高，方法简单的装置，用于快速准确测量液滴在固体表面摩擦力。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种精确快速测量液滴在固体表面摩擦力的装置。

本发明的目的在于：针对现有技术的不足，提供了一种精确快速测量液滴在固体表面摩擦力的装置。该装置通过计算液滴在固体表面的摩擦力大小，可以对液滴在固体表面的动态浸润性进行定量表征，进而准确区分具有不同固液界面润湿行为的表面。该发明极大地促进了固液界面润湿行为的研究，对微观尺度下固液界面的润湿机理研究提供了新思路，为研究表面黏附或者表面减阻材料提供了一种创新性的手段。

为了实现上述功能，本发明提供技术方案如下：

一种测量液滴在固体表面摩擦力的装置，其特征在于：所述装置包括样品台、液体进样系统、图像捕捉系统、测力探头和驱动样品台与测力探头发生至少一维相对运动的运动控制系统；

所述样品台用于固定待测试的固体样品，固体样品上用于放置待测试的液滴；

所述测力探头通过探头支架安装于液滴上方，测力探头包括具有弹性部和位于弹性部末端的结合部，测试时，所述结合部伸入到液滴内，用于增大液滴与测力探头的结合力；所述弹性部为管状弹性体，用于在测力探头与样品台发生相对运动时发生弹性形变；

所述液体进样系统通过测力探头的的管状弹性体将液体输送到待测试的固体样品表面；

所述图像捕捉系统用于捕捉插入到液滴内的测力探头在与样品台发生相对运动时发生的弹性形变量，以及液滴的形状和液滴内部的荧光示踪粒子的运动轨迹。

作为改进，所述液滴的大小为0.1微升～50微升。

作为改进，所述运动控制系统为三维移动平台，定义驱动样品台与测力探头发生相对运动的方向为主运动方向，所述图像捕捉系统拍摄方向与主运动方向垂直，所述主运动方向的相对运动速度为0.01毫米～20毫米每秒。

作为改进，沿着主运动方向，所述测力探头的结合部与液滴的接触面大于或等于弹性部与液滴接触面；所述测力探头的结合部形状是平板型、圆柱型、圆环型、椭圆环型、l型、v型、倒t型和m型中的任意一种。

作为改进，所述三维移动平台上设有调节水平度的调平支架，所述样品台安装于调平支架上。

作为改进，所述样品台上设有温控腔室，用于调节固体样品、液滴和周围温度，温控腔室上方设有便于测力探头相对运动的狭缝，温控腔室在垂直于主运动方向的两侧设有便于图像捕捉系统捕捉测试图像的透明窗户。

作为改进，所述图像捕捉系统包括投影光源，光学成像单元和图像处理终端，投影光源和光学成像单元分别安装在样品台的两侧，投影光源为平行光源，正对着样品台，光源亮度可自由调节，光学成像单元固定在投影光源的对侧，用于拍摄样品台上固体样品以及液滴的图像或视频，图像处理终端用于针对图像和视频自动提取液滴的外形轮廓和测力探头形变时的图像数据，并计算液滴在固体表面的接触角和测力探头的形变量，计算得到液滴在固体表面的摩擦力。

作为改进，所述图像捕捉系统的光学成像单元具有荧光检测通道，用于拍摄液滴内部荧光示踪粒子的图像或视频。

一种利用上述装置测量液滴在固体表面摩擦力的方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、将待测试的固体样品固定在样品台上，利用液体进样系统将待测试的液滴通过测力探头的管状弹性体加载到固体样品表面，并将测力探头插入到液滴内部；

步骤2、启动运动控制系统，驱动样品台沿着主运动方向与测力探头发生相对运动，同时启动图像捕捉系统拍摄运动过程中的测力探头和液滴图像，直至液滴与固体样品相对运动至设定位置或设定距离；

步骤3、所述摩擦力大小按公式f＝k*d计算，其中，f为液滴在固体表面的摩擦力，k为测力探头的弹性系数，d为测力探头末端相对初始位置偏移的水平距离，摩擦力可由图像采集单元内置的集成软件自动测算或人工测算。

一种利用上述装置观测液滴在固体表面运动状态的方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、将待测试的固体样品固定在样品台上，在待测试的液体内加入荧光微纳颗粒并分散均匀，利用液体进样系统将含有荧光微纳颗粒的液滴加载固体样品表面，并将测力探头插入到液滴内部；

步骤2、启动运动控制系统，驱动样品台与测力探头沿着主运动方向发生相对运动，同时启动图像捕捉系统拍摄运动过程中液滴图像和视频，通过荧光检测通道拍摄荧光微纳颗粒在液滴内的运动；

步骤3、通过荧光微纳颗粒的运动轨迹，判断液滴在固体样品表面摩擦过程中的界面现象。

本发明的有益效果为：

本发明测量液滴在固体表面摩擦力的装置，结构简单，测试过程便捷，可以快速精确得到固液界面的摩擦力，实现了对液滴在固体表面浸润性的定量表征，便于研究微纳尺度下的固液界面行为，极大的促进了对微观尺度上固液界面润湿行为的机理研究，为表面黏附或者表面减阻材料等领域的研究提供了一种创新性的手段。该发明能准确区分不同黏附表面，为设计制备具有不同黏附能力的结构材料提供了重要的参考，制备得到的结构材料可以应用在表面黏附或者表面减阻方面，如自清洁、吸附、抗结冰、抗粘附等方面。

附图说明

图1是本发明实施例中测量液滴在固体表面摩擦力的装置的主视图。

图2是本发明实施例中测量液滴在固体表面摩擦力的装置的俯视图。

图3实际摩擦力测量过程中光学成像单元拍摄的液滴轮廓图，其中图3(a)为针管在液滴内未发生相当运动拍摄图，图3(b)为针管相对于固体样品运动过程中拍摄图。

图4是摩擦力测量过程示意图，其中图4(a)为针管插入液滴内示意图，图4(b)为针管相对于固体样品运动过程示意图。

图5是实施例1液滴和样品表面摩擦力随时间变化的曲线图。

图6是实施例2液滴和样品表面摩擦力随时间变化的曲线图。

图7是实施例3液滴和样品表面摩擦力随时间变化的曲线图。

附图标记：1-底座，2-x向丝杠螺母直线滑台，3-y向丝杠螺母直线滑台，4-样品台，5-光学成像单元，6-升降调节机构，7-测力探头，8-投影光源，9-图像处理终端，10-温控腔室，11-液滴，12-固体样品，13-z向电动推杆，14-针管。

具体实施方式

下面结合附图对本发明专利做进一步说明。

如图1和图2所示，一种测量液滴在固体表面摩擦力的装置，包括样品台4、图像捕捉系统、测力探头7和驱动样品台4与测力探头7发生至少一维相对运动的运动控制系统，所述样品台4、图像捕捉系统、测力探头7和运动控制系统均安装在底座1上，所述样品台4用于固定待测试的固体样品12，固体样品12上用于放置待测试的液滴11，所述测力探头7通过探头支架安装于液滴11上方，所述测力探头7包括具有弹性部和位于弹性部末端的结合部，测试时，所述结合部伸入到液滴11内，用于增大液滴11与测力探头7的结合力，所述弹性部为管状弹性体，用于在测力探头7与样品台4发生相对运动时发生弹性形变，所述液体进样系统通过管状弹性体的中空内部将液体输送到待测试的固体样品12表面；所述图像捕捉系统用于捕捉插入到液滴11内的测力探头7在与样品台4发生相对运动时发生的弹性形变量。

作为具体实施例，如图1和图2所示，所述运动控制系统包括三维移动平台，定义驱动测力探头7与样品台4发生相对运动的方向为主运动方向，所述图像捕捉系统拍摄方向与主运动方向垂直，本发明三维移动平台采用平面内x、y方向的两个平移自由度加上z方向的伸缩自由度组成，具体为在平面内x向丝杠螺母直线滑台2和y向丝杠螺母直线滑台3组成平面内运动的十字滑台，z向电动推杆13组成一个z方向的升降自由度，本实施例中y方向为主运动方向，因此y向丝杠螺母直线滑台3采用精度较高的，运动速度较慢的丝杠螺母机构制成的直线滑台，速度范围为0.05毫米每秒～20毫米每秒；本实施例中以y向为主运动方向时，那么拍摄方向为x向，这样可以保证拍摄的测力探头7形变量准确性，没有角度误差。

所述样品台4可以通过电机控制或手动控制沿x、y，z方向以可调节的速度进行匀速或者变速运动，样品台4可以带动其上的固体样品12作直线运动，往返运动或者旋转运动。平动速度范围为0.05毫米每秒～20毫米每秒，旋转速度范围为：0.1度每秒～30度每秒。所述样品台4具备调平功能，可通过调整样品台4的倾斜或者俯仰角度使样品表面水平。样品台4连接温控腔室10，温控腔室10可以控制样品台4以一定的速率升温或者降温，或者保持一定温度，温度范围为零下50摄氏度～200摄氏度。

本发明实施例中，所述图像捕捉系统包括投影光源8，光学成像单元5和图像处理终端9，投影光源8和光学成像单元5分别安装在样品台4的两侧，投影光源8为平行光源，正对着样品台4，光源亮度可自由调节，光学成像单元5固定在投影光源8的对侧，用于拍摄样品台4上样品的图像或视频，光学成像单元5的放大倍数可调，范围为1倍～10倍，图像处理终端9用于针对图像和视频自动提取液滴11和测力探头7发生相对运动时的图像数据，并计算测力探头7的形变量，具体可以针对图像和视频自动提取液滴11轮廓线，前进角、后退角、液滴11接触长度，测力探头7末端水平偏移距离等数据。

作为一种优选实施例，所述三维移动平台上设有调平支架，所述样品台4安装于调平支架上，利用调平支架可以使得样品台4进行调平。

作为一种优选实施例，所述三维移动平台上设有的升降平台上设有俯仰运动关节和旋转运动关节，通过俯仰运动关节和旋转运动关节使得样品台4和其上的固体样品12做旋转运动或者俯仰运动，适应不同运动角度调整需要。

作为一种优选实施例，所述样品台4上设有温控腔室，用于调节固体样品12、液滴和周围温度，温控腔室上方设有便于测力探头7相对运动的狭缝，温控腔室在垂直于主运动方向的两侧设有便于图像捕捉系统捕捉测试图像的透明窗户。所述测力探头7采用亲水材料制成，沿着主运动方向，测力探头7的结合部与液滴11的接触面大于弹性部的与液滴11接触面。

对于本发明实施例装置，所述液滴11通过液体进样系统添加到固体样品12表面，当然作为一种具体案例，如图3所示，具体的将测力探头7采用针管14做成，针管14的管体即为弹性部，针管14末端即为弹性部末端的结合部，利用针管14既起到加液作用，又作为弹性部件变形测力作用，如图1所示，所述液体进样系统包括升降调节机构6和进样器，所述升降调节机构6用于调节进样器的高度，升降调节机构6上设有与进样器的活塞杆相连的电动推杆，利用电动推杆来带动进样器的活塞杆运动，实现一定体积液滴11的滴加，滴加液滴11的体积范围为0.05微升～100微升。

所述进样器为注射器结构(图中未画出)，其由活塞杆和针筒组成，针筒出口与针管14顶部相连，针管14的材料可以是已知弹性系数的纯金属、合金和高分子材料的一种或几种组成，针管14的外直径范围为：5微米～600微米。针管14表面可以是亲水，疏水或者部分亲水和部分疏水。此外，针管14末端形状可以是圆柱型、圆环型、椭圆环型、l型、v型、倒t型、m型中的一种或几种的组合。

如图4所示，为固液界面摩擦力测量过程示意图，图4(a)为液滴11还未开始运动时的示意图，此时针管14末端插在液滴11中间。当样品台4带动固体样品12以一定速度运动时，如图4(b)所示，液滴11牵引针管14发生偏移，偏移初始位置的水平距离为d。

一种利用上述装置观测液滴在固体表面运动状态的方法，包括以下步骤：

步骤1、将待测试的固体样品12安装在样品台上，在待测试的液体内加入荧光微纳颗粒并分散均匀，利用液体进样系统将含有荧光微纳颗粒的液滴加载固体样品12表面，并将测力探头7插入到液滴内部；

步骤2、启动运动控制系统，驱动样品台与测力探头7沿着主运动方向发生相对运动，同时启动图像捕捉系统拍摄运动过程中液滴图像和视频，通过荧光检测通道拍摄荧光微纳颗粒在液滴内的运动；

步骤3、通过荧光微纳颗粒的运动轨迹，判断液滴在固体样品12表面摩擦过程中的界面现象，即通过拍摄视频观测荧光粒子在液滴内是沿直线平动还是在液滴内转动，从而判断液滴相对于固体样品12表面运动状态，从而判断摩擦力是滑动摩擦还是滚动摩擦，即荧光粒子为直线平动，则固液界面为滑动摩擦，即荧光粒子在液滴内转动，则固液界面为滚动摩擦。

以下为以针管14作为测力探头7利用本发明装置测量液滴在固体表面摩擦力的三个实施例：

实施例1：

一种采用上述测量液滴在固体表面摩擦力的装置，用于测试超纯水液滴11与具有微米凹槽结构的聚二甲基硅氧烷样品之间的摩擦力，包括以下步骤：

步骤一：将表面具有微米凹槽结构的固体样品12固定在样品台4上，凹槽结构的槽宽50微米，槽间距50微米，槽高30微米。

步骤二：通过三维移动平台的y向丝杠螺母直线滑台3和x向丝杠螺母直线滑台2调节样品台4到针管14正下方，通过升降调节机构6调节针管14到接近固体样品12表面中心位置，通过电动推杆控制推动进样器的活塞，通过针管14注射4μl液滴11到固体样品12表面。

步骤三：打开投影光源8和光学成像单元5，通过调节样品台4位置在计算机图像处理终端9得到液滴11的清晰轮廓，通过调节升降调节机构6使针管14末端进入液滴11中心。

步骤四：启动y向丝杠螺母直线滑台3，设定样品台4以0.05毫米每秒的恒定速度匀速运动，使针管14和固体样品12在y向发生相对运动，光学成像单元5在x向拍摄。运动过程中针管14发生弯曲变形。通过光学成像单元5记录整个运动过程，当液滴11运动到脱离固体样品12表面时停止样品台4的运动。最后通过图像处理终端9导出液滴11运动过程的视频，并通过图像处理终端9自动得到针管14实时偏移距离的大小，需要指出是是由于光学成像单元5与液滴的相对位置几乎固定位移很小，因此既可以通过图像处理终端9自动获取针管14实时偏移距离的大小，也可以根据拍摄图形尺寸手动获取，还可以在液滴所在位置放置标尺的方式进行标定，或者直接采用带标尺的摄像头。

步骤五：将针管14的偏移距离和针管14的弹性系数带入公式f＝k*d，计算得到固液界面摩擦力大小随时间变化的曲线图(如图5所示)，固液界面的动摩擦力大小约为20微牛。

实施例2：

一种采用上述测量液滴在固体表面摩擦力的装置，用于测试超纯水液滴与具有微米圆锥柱状阵列结构的氧化铜样品之间的摩擦力，包括以下步骤：

步骤一：将固体样品12固定在样品台4上，固体样品12表面具有圆锥形阵列结构，圆锥底部直径为30微米，高35微米。

步骤二：通过三维移动平台的y向丝杠螺母直线滑台3和x向丝杠螺母直线滑台2调节样品台4到针管14，通过升降调节机构6调节针管14到接近固体样品12表面中心位置，通过电动推杆控制进样器的活塞杆，通过针管14注射8μl液滴11到固体样品12表面。

步骤三：打开投影光源8和光学成像单元5，通过调节样品台4位置在计算机图像处理终端9得到液滴11的清晰轮廓，通过调节升降调节机构6使针管14末端进入液滴11中心。

步骤四：启动y向丝杠螺母直线滑台3，设定样品台4以0.1毫米每秒的恒定速度匀速运动，使针管14和固体样品12在y向发生相对运动，光学成像单元5在x向拍摄。运动过程中针管14发生弯曲变形。通过光学成像单元5记录整个运动过程，当液滴11运动到脱离固体样品12表面时停止样品台4的运动。最后通过图像处理终端9导出液滴11运动过程的视频，并通过图像处理终端9自动得到针管14实时偏移距离的大小。

步骤五：将针管14的偏移距离和针管14的弹性系数带入公式f＝k*d，计算得到固液界面摩擦力大小随时间变化的曲线图(如图6所示)，固液界面的动摩擦力大小约为60微牛。

实施例3：

一种采用上述测量液滴在固体表面摩擦力的装置，用于测试乙二醇液滴与具有微米圆形柱状阵列结构的聚二甲基硅氧烷样品之间的摩擦力，包括以下步骤：

步骤一：将固体样品12固定在样品台4上，固体样品12表面具有圆柱形阵列结构，圆柱直径为30微米，高35微米。

步骤二：通过三维移动平台的y向丝杠螺母直线滑台3和x向丝杠螺母直线滑台2调节样品台4到针管14，通过升降调节机构6调节针管14到接近固体样品12表面中心位置，通过控制软件控制推动进样器的活塞杆，通过针管14注射6μl液滴11到固体样品12表面。

步骤三：打开投影光源8和光学成像单元5，通过调节样品台4位置在计算机图像处理终端9得到液滴11的清晰轮廓，通过调节升降调节机构6使针管14末端进入液滴11中心。

步骤四：启动y向丝杠螺母直线滑台3，设定样品台4以0.05毫米每秒的恒定速度匀速运动，使针管14和固体样品12在y向发生相对运动，光学成像单元5在x向拍摄。运动过程中针管14发生弯曲变形。通过光学成像单元5记录整个运动过程，当液滴11运动到脱离固体样品12表面时停止样品台4的运动。最后通过图像处理终端9导出液滴11运动过程的视频，并通过人工或者软件自动得到针管14实时偏移距离的大小。

步骤五：将针管14的偏移距离和针管14的弹性系数带入公式f＝k*d，计算得到固液界面摩擦力大小随时间变化的曲线图(如图7所示)，固液界面的动摩擦力大小约为85微牛。

实施例4：观测液滴内荧光粒子运动

将上述测量液滴在固体表面摩擦力的装置的图像捕捉系统改成高清高速荧光摄像头，用于测试超纯水液滴与具有微米凹槽结构的聚二甲基硅氧烷样品之间的界面运动状态，包括以下步骤：

步骤一：将表面具有微米凹槽结构的固体样品12固定在样品台4上，凹槽结构的槽宽50微米，槽间距50微米，槽高30微米。

步骤二：通过三维移动平台的y向丝杠螺母直线滑台3和x向丝杠螺母直线滑台2调节样品台4到针管14，通过升降调节机构6调节针管14到接近固体样品12表面中心位置，通过电动推杆控制进样器的活塞杆，通过针管14运动注射4μl液滴11到固体样品12表面，液滴11内含有带荧光的纳米粒子。

步骤三：打开高清高速荧光摄像头，通过调节样品台4位置在计算机图像处理终端9得到液滴11的清晰轮廓，通过调节升降调节机构6使针管14末端进入液滴11中心。

步骤四：启动y向丝杠螺母直线滑台3，设定样品台4以0.05毫米每秒的恒定速度匀速运动，使针管14和固体样品12在y向发生相对运动，光学成像单元5在x向拍摄。通过光学成像单元5记录整个运动过程，当液滴11运动到脱离固体样品12表面时停止样品台4的运动。可以观测液滴11内荧光粒子为旋转运动，即该固液界面为滚动摩擦。

当然本实施例中，针管14插入液滴过程，既可以是上述的通过升降调节机构6下降针管14完成，也可以是通过三维移动平台的z向电动推杆13上升上述固体样品12完成。

本发明并不局限于前述的具体实施方式。本发明扩展到任何在本说明书中披露的新特征或任何新的组合，以及披露的任一新的方法或过程的步骤或任何新的组合。如果本领域技术人员，在不脱离本发明的精神所做的非实质性改变或改进，都应该属于本发明权利要求保护的范围。

以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等同变换，或直接或间接运用在相关技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。