[发明专利]仿水黾腿结构液下接触角的测量方法

说明书

技术领域

本发明属于测量技术领域，具体涉及仿水黾腿结构液下接触角的测量方法。

背景技术

水上负载是船舶、航海等领域的重要研究课题。近年来，受水黾非凡水上行走能力的启发，各种仿水黾模型已经相继建立起来以提高水上载重。研究表明，水黾出色的水上行走能力与其腿部的超疏水特性密不可分。经测量，水滴在水黾水黾腿部的接触角可达到167.6                                                  4.4 °，水黾腿显示出良好的超疏水特性。正是由于这种超疏水性能的作用，水黾在自身重力作用下不会刺破水面，而是在水面形成水涡，由此产生数值可观的托举力，支撑着水黾在水面的自如活动。因此，制备仿水黾腿结构，使其具有类似于水黾腿的超疏水性能，为提高水上载重能力提供了一条有效途径。同时，如何有效得到仿水黾腿结构在水中的接触角数值，从而了解仿水黾腿结构在水下浸润状态，为揭示接触角与水上承重之间的相互作用规律提供理论依据，也成为了该领域的重要研究内容。

目前对于仿水黾腿结构水下接触角的研究主要通过光学成像的方式来进行。其主要运作方式为：首先将液体置入方形的透明容器中，然后将所研究的固体材料（如仿水黾腿结构）与液面进行接触。采用光学透射成像技术对所形成的固-液及气-液界面进行成像，随后对界面曲线进行拟合，经测量得到气-液界面与固-液界面之间所形成的夹角。这种方法虽然具有简便易行的特点，但所形成的界面图像会因镜头景深及聚焦位置的不同而产生差异，使得界面位置不容易确定；同时，更主要的是，由于受到光学成像原理的限制，这种方法不能对材料任意横截面上的液体浸润情况进行原位成像，因而不利于界面分析的准确进行。

发明内容

本发明的目的在于提出一种测量仿水黾腿结构在浸入液体中时形成的接触角的新方法，用以满足常规光学条件难以达到的液下接触角的精确测量。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

仿水黾腿结构液下接触角的测量方法，借助核磁共振成像技术对仿水黾腿结构浸入液体后形成的液涡横断面进行成像，然后对图像进行分析，确定固液及气液界面所在位置并得到相应的界面曲线，在此基础上对界面曲线进行分析拟合及测量，最终得到仿水黾腿结构液下接触角数值。

优选的，在上述的仿水黾腿结构液下接触角的测量方法中，所述的测量方法包括步骤：

S1、对仿水黾腿结构进行制备、清洗和干燥；

S2、将仿水黾腿结构与液面进行接触并缓缓下压，直至仿水黾腿结构在液体表面形成最大的液涡而不刺破液面；

S3、将步骤s2形成的固液体系样品放置于核磁共振成像仪的样品腔内；

S4、在垂直于水黾腿水平结构的断面上对液体进行磁共振成像，得到磁共振图像；

S5、对得到的图像进行亮度及对比度调节，确定固液及气液界面曲线位置及形状；

S6、对界面曲线进行分析拟合，并通过测量或计算，得到仿水黾腿结构液下接触角数值。

优选的，在上述的仿水黾腿结构液下接触角的测量方法中，所述仿水黾腿结构的材质为非金属。

优选的，在上述的仿水黾腿结构液下接触角的测量方法中，所述仿水黾腿结构的材质为玻璃、非磁性无机材料或高分子聚合物。

优选的，在上述的仿水黾腿结构液下接触角的测量方法中，所述液体为任何原子核自旋量子数为1/2的液体。

优选的，在上述的仿水黾腿结构液下接触角的测量方法中，所述步骤s6中，拟合方式选自多项式拟合、圆形拟合或椭圆拟合。

优选的，在上述的仿水黾腿结构液下接触角的测量方法中，所述步骤s6中，所述接触角数值的测量或计算采用量高法或量角法。

优选的，在上述的仿水黾腿结构液下接触角的测量方法中，所述步骤s1中，所述仿水黾腿结构的材质为玻璃，依次采用丙酮、乙醇和二次去离子水对仿水黾腿结构进行清洗。

优选的，在上述的仿水黾腿结构液下接触角的测量方法中，所述仿水黾腿结构吹干后，还包括采用氟硅烷对其表面进行修饰。

优选的，在上述的仿水黾腿结构液下接触角的测量方法中，所述液体为十二烷或0.5%的硫酸铜水溶液。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

1）可针对任何材质为非金属的材料进行液体中接触角的测量； 

2）可对任何原子核自旋量子数等于1/2的液体进行成像；

3）对实验体系的光学透明性无要求；

4）可采集得到材料任意横截面上液体的磁共振图像，从而实现任何位置上液体接触角的测量；