本发明专利技术提供了一种超低温固体表面的液氮润湿接触角测量装置，包括超低温固体表面冷却组件、氮气氛围保护组件、液氮滴定组件、润湿接触角观测组件，其中超低温固体表面冷却组件通过液氮循环及银冷却板能够使样品快速进入并能够维持测试期间的超低温状态。氮气氛围保护组件摒弃了工程上常用的真空方案，采用干燥氮气保护能够避免液氮在真空下快速气化。液氮滴定装置实现了液氮在不同高度的滴落，支持润湿接触角测量及液滴撞击动力学的相关研究。润湿接触角观测组件通过光源板、吹气装置等保证了超低温环境下液滴形态的观测。本发明专利技术填补了超低温流体在冷却固体表面润湿铺展行为研究的空白，对超低温流体润滑、超低温流体输运有重要的价值。要的价值。要的价值。
【技术实现步骤摘要】
一种超低温固体表面的液氮润湿接触角测量装置
[0001]本专利技术涉及低温流体介质润湿性评定的
，具体涉及一种超低温固体表面的液氮润湿接触角测量装置。
技术介绍
[0002]润湿接触角是固体表面的重要性质之一，用来评定液体在某一固定表面浸润铺展的难易程度，主要受固体表面自由能和表面微观几何结构的影响。对润湿行为的定量研究始于T. Young，其在1805年引入润湿角的概念并提出了著名的杨氏方程。根据该方程，Young认为对于理想光滑表面，液体在其上的接触角仅和固
‑
气、固
‑
液、液
‑
气界面的表面张力有关，降低固体表面能可提高疏液性。由于润湿性在流体润滑、自清洁、防雾、抗结冰结霜、耐腐蚀、油水分离、液体无损转移、液体运输等方面具有广泛的应用价值，相关研究受到了国内外学者的广泛关注，其中最具代表性的就是超疏水表面的制备及应用。
[0003]润湿接触角的测量方法主要有两类：称重法及外形图像法。前者需用到润湿天平或渗透法接触角仪，但目前应用最广泛、测量较准确的还是外形图像法。外形图像分析法的原理为：将液滴滴于固体样品表面，通过显微镜头与相机获得液滴的外形图像，再运用数字图像处理及相关算法计算得到图像中液滴的接触角。值得注意的是，目前的润湿性研究主要集中在常温、高温领域，例如水在织构化固体表面、液态金属锂在固体表面的润湿铺展特性研究。研究者们针对特定的工况搭建了各类常温及低温润湿接触角测量装置。然而，通过文献检索可以发现低温流体介质（液氮、液氢、液氧等）在固体表面润湿行为的研究非常罕见，这大大限制了低温流体润滑、低温流体输运等技术的进步。这主要是因为低温润湿接触角测量系统的研制挑战性较大，环境氛围中的水蒸汽会快速凝结在固体表面，干扰测量结果。特别地，随着可重复使用火箭涡轮泵相关研究的持续深入，以液膜轴承代替现役滚动轴承方案已得到了主要航天强国的重视。低温流体介质在轴承界面的亲疏液特性直接影响了液膜轴承的润滑动力学性能，相关研究具有重要的战略意义和急迫性。
[0004]因此，研制一种超低温固体表面的液氮润湿接触角测量装置对判明其亲疏液特性进而调控低温流体润滑轴承的动力学特性有重要的工程价值，同时对其他低温流体介质在固体表面的润湿行为研究有参考价值。
技术实现思路
[0005]本专利技术旨在针对目前低温流体介质在固体表面润湿行为研究较好的现状，提出一种超低温固体表面液氮润湿接触角测量装置，采用充干燥氮气的方案避免了抽真空负压的影响，同时解决了液氮滴定结霜及气化问题，为超低温流体的润湿行为测量提供了技术工具。
[0006]为实现上述目的，本专利技术采用如下技术方案：一种超低温固体表面的液氮润湿接触角测量装置，包括有底板，所述底板上表面中间位置处设置有有氮气氛围保护组件，所述氮气氛围保护组件包括有顶板、侧板、透明观
测板和透明背板，所述顶板、侧板、透明观测板和透明背板与底板共同组成一个封闭容腔，其中，所述顶板通过固定螺栓固定连接在侧板的顶端，从而可以方便拆卸以更换样品；所述封闭容腔内部设置有超低温固态表面冷却组件，所述顶板上安装有液氮滴定组件，所述封闭容腔外部正对所述透明观测板一侧设置有润湿接触角观测组件。
[0007]优选地，所述超低温固态表面冷却组件包括有液氮容腔，所述液氮容腔固定连接在底板上，所述液氮容腔的顶部设置有U型开口，所述U型开口处通过超低温密封胶连有冷却银板，所述冷却银板的水平底面上放置有样品。
[0008]优选地，所述超低温固态表面冷却组件还包括有液氮罐、液氮循环泵、液氮输出管和液氮回收管，所述液氮罐放置在封闭容腔外部，所述液氮循环泵固定安装在液氮罐顶端且液氮循环泵的泵芯伸至液氮罐内部，所述液氮输出管一端固定连接在液氮循环泵上；所述液氮回收管一端固定连接在液氮罐侧壁上端，所述液氮回收管远离液氮罐一端贯穿侧板与液氮容腔相连通；液氮循环泵的泵芯从液氮罐中抽取液氮，通过液氮输出管进入液氮容腔，充满液氮容腔后多余的液氮通过液氮回收管回流至液氮罐，实现液氮循环增强冷却效果。测试样品通过冷却银板的热传导快速冷却进入超低温状态并能维持较长的冷却状态以供润湿接触角测试。
[0009]优选地，所述氮气氛围保护组件还包括有氮气罐、第一氮气阀、第二氮气阀、液氮输入管、氮气输入管和气压表，所述氮气罐放置在封闭容腔外部，所述氮气罐顶端固定连接有三通管，所述液氮输出管远离液氮循环泵一端及液氮输入管分别固定连接在三通管上空余的两个管口上，所述液氮输入管远离三通管一端贯穿侧板与液氮容腔相连通；所述氮气输入管一端固定连接在氮气罐侧壁上端，所述氮气输入管远离氮气罐一端贯穿侧板与封闭容腔相连通，所述第一氮气阀固定安装在氮气输入管上；所述封闭容腔远离氮气输入管的侧板上还固定连接有排气管，所述第二氮气阀固定安装在排气管上；所述气压表固定安装在封闭容腔外表面且与封闭容腔内部相连通；测试前开启氮气阀第一氮气阀、第二氮气阀，将氮气罐储存的干燥氮气经过氮气输入管进入封闭容腔，待封闭容腔内部原有的空气被置换后关闭第一氮气阀，观测气压表，压力升至2个大气压后关闭第二氮气阀，一个干燥的氮气保护氛围营造完成；该设计摒弃了工程上常用的真空方案，采用干燥氮气保护能够避免液氮在真空下快速气化。
[0010]优选地，所述液氮滴定组件包括有液氮滴定装置、伸缩支架和滴管，所述伸缩支架固定连接在顶板上，所述液氮滴定装置固定安装在伸缩支架的顶端，所述液氮滴定装置的内部储存有液氮，所述滴管固定连接在液氮滴定装置的底部，所述滴管的末端贯穿顶板垂直设置在样品正上方；通过伸缩支架可调节液氮滴定装置的位置，进而调整液氮滴落高度，以支持润湿接触角测量及液滴撞击动力学的相关研究。
[0011]优选地，所述润湿接触角观测组件包括有光源板、吹气装置、高速相机和相机支架，所述光源板垂直固设于透明背板后方，所述吹气装置固定安装于液氮容腔上U型开口一侧；所述相机支架放置在透明观测板外部且位于样品正前方，所述高速相机固定安装在相机支架顶端；光源板发射光线透过透明侧板照射到样品上，调整相机支架使高速相机的镜头到达合适的高度，记录下液氮滴落及在超低温固体表面的润湿铺展过程，通过设置吹气装置能够最大程度避免观测区域的结霜。
[0012]有益效果：
（1）将液氮通入保温腔体，使导热板底部与液氮完全接触，从而达到超快速降温效果，同时液氮循环持续单向流动，保证导热板降温后表面温度的稳定性，提高测量工件超低温温度稳定性。
[0013]（2）采用惰性气体排除空气的方式，惰性气体需超低温高压才长生液化现象，从而创造无水环境，且惰性气体可以有效隔热传递，营造超低温工况，同时避免负压除水对滴定的影响，有利于润湿过程的图像采集分析。
[0014]（3）采用超低温滴针设置于观测箱体内测方式，避免超低温液体遇空气结冰，同时滴定装置可调节滴定高度和滴速，可应用不同工况实验研究，顶板与侧板通过密封胶条和螺旋旋钮固定密封，便于拆卸更换测量工件，提高超低温润湿性测量装置的精确性和实用性。
[0015]综上所本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一种超低温固体表面的液氮润湿接触角测量装置，包括有底板(1)，其特征在于，所述底板(1)上表面中间位置处设置有有氮气氛围保护组件，所述氮气氛围保护组件包括有顶板(9)、侧板(14)、透明观测板(19)和透明背板(20)，所述顶板(9)、侧板(14)、透明观测板(19)和透明背板(20)与底板(1)共同组成一个封闭容腔，其中，所述顶板(9)通过固定螺栓(10)固定连接在侧板(14)的顶端；所述封闭容腔内部设置有超低温固态表面冷却组件，所述顶板(9)上安装有液氮滴定组件，所述封闭容腔外部正对所述透明观测板(19)一侧设置有润湿接触角观测组件。2.根据权利要求1所述的一种超低温固体表面的液氮润湿接触角测量装置，其特征在于，所述超低温固态表面冷却组件包括有液氮容腔(18)，所述液氮容腔(18)固定连接在底板(1)上，所述液氮容腔(18)的顶部设置有U型开口，所述U型开口处通过超低温密封胶连有冷却银板(15)，所述冷却银板(15)的水平底面上放置有样品(23)。3.根据权利要求2所述的一种超低温固体表面的液氮润湿接触角测量装置，其特征在于，所述超低温固态表面冷却组件还包括有液氮罐(2)、液氮循环泵(5)、液氮输出管(6)和液氮回收管(4)，所述液氮罐(2)放置在封闭容腔外部，所述液氮循环泵(5)固定安装在液氮罐(2)顶端且液氮循环泵(5)的泵芯伸至液氮罐(2)内部，所述液氮输出管(6)一端固定连接在液氮循环泵(5)上；所述液氮回收管(4)一端固定连接在液氮罐(2)侧壁上端，所述液氮回收管(4)远离液氮罐(2)一端贯穿侧板(14)与液氮容腔(18)相连通。4.根据权利要求3所述的一种超低温固体表面的液氮润湿接触角测量装置，其特征在于，所述氮气氛围保护组件还包括有氮气罐(11)、第一氮气阀(3)、第二氮气...
【专利技术属性】
技术研发人员：许吉敏，郑城，江涛，刘焜，王伟，
申请(专利权)人：合肥工业大学，
类型：发明
国别省市：
还没有人留言评论。发表了对其他浏览者有用的留言会获得科技券。