一种测量液滴在固体表面摩擦力的装置制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种测量液滴在固体表面摩擦力的装置，包括样品台、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，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图像和视频。本装置可以准确测量液滴在固体表面摩擦力，结构简单，效率高，成本低廉。

A device for measuring the friction force of liquid drop on solid surface

The invention discloses a device for measuring the friction force of liquid drop on the solid surface, including a sample table, an image capturing system, a force measuring probe and a motion control system for driving the sample table to move relative to the force measuring probe in at least one dimension, the sample table is used for fixing the solid sample to be tested, the solid sample is used for placing the liquid drop to be tested, and the force measuring probe passes through the probe bracket Installed above the droplet, the force measuring probe includes a joint part with an elastic part and a joint part at the end of the elastic part. During the test, the joint part extends into the droplet to increase the joint force between the droplet and the force measuring probe. The elastic part is a tubular elastomer, which is used to generate elastic deformation when the force measuring probe and the sample table move relative to each other. The image capturing system is used to capture and insert the droplet Image and video of the inner force probe when it moves relative to the sample table. The device can accurately measure the friction force of liquid drop on the solid surface, which has the advantages of simple structure, high efficiency and low cost.

【技术实现步骤摘要】
一种测量液滴在固体表面摩擦力的装置
本专利技术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。
技术介绍
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。
技术实现思路
本专利技术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。本专利技术的目的在于：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。该专利技术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，本专利技术提供技术方案如下：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。本专利技术的有益效果为：本专利技术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本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一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；/n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；/n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；/n所述液体进样系统通过测力探头的管状弹性体将液体输送到待测试的固体样品表面；/n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。/n

【技术特征摘要】
1.一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。


2.如权利要求1所述测量液滴在固体表面摩擦力的装置，其特征在于：所述液滴的大小为0.1微升～50微升。


3.如权利要求1所述测量液滴在固体表面摩擦力的装置，其特征在于：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。


4.如权利要求3所述测量液滴在固体表面摩擦力的装置，其特征在于：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。


5.如权利要求3所述运动控制系统，其特征在于：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。


6.如权利要求3所述运动控制系统，其特征在于：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。


7.如权利要求1所述测量液滴在固体表面摩擦...

【专利技术属性】
技术研发人员：薛龙建，石奎，李利军，李倩，汪鑫，谭迪，张国栋，
申请(专利权)人：武汉大学，
类型：发明
国别省市：湖北;42