[发明专利]一种水平规则双粗糙度表面重液滴轮廓和接触角的计算方法

说明书

一种水平规则双粗糙度表面重液滴轮廓和接触角的计算方法，包括：液滴轮廓离散化；四种不同润湿接触状态的系统无量纲自由能函数的推导；四种接触状态下部分最小无量纲自由能的优化；四种接触状态下整体最小无量纲自由能的优化。综合考虑了液滴密度和体积，表面的拓扑结构和粗糙度和液滴、蒸气和构成粗糙表面的材料之间的界面张力，突破了以往研究中的局限性，能够帮助研究人员进一步了解液滴的润湿和扩散机制，对于研究超疏水自清洁表面、管道中液体的无损运输等具有重要的现实意义。

技术领域

本发明属于微纳复合结构技术领域，涉及一种水平规则双粗糙度表面重液滴轮廓和接触 角的计算方法，具体涉及一种利用最小自由能理论和非线性优化算法计算得到水平规则双粗 糙度表面重液滴轮廓和接触角。

背景技术

重液滴的润湿和扩散机制中的基本问题是研究其在粗糙表面上的形状。确定液滴在粗糙 表面上的形状，有助于更好地理解如何改变粗糙表面的可润湿性。这对于微流控芯片中液滴 操作的各种实际应用，水自动收集表面设计，自清洁表面设计和高效冷凝传热表面设计至关 重要。通常，固体表面的润湿性是以液滴在其上的接触角来表征。而接触角是指在气、液、 固三相交点处所作的气-液界面的切线与固-液交界线之间的夹角。因此，快速准确地获取固 体表面的液滴的形状和接触角能够帮助研究人员进一步了解液滴的润湿和扩散机制，对于研 究超疏水自清洁表面、管道中液体的无损运输等具有重要的现实意义。

粗糙表面上重液滴的形状取决于以下影响因素：(1)液滴密度和体积；(2)表面的拓 扑结构和粗糙度；(3)液滴、蒸气和构成粗糙表面的材料之间的界面张力；(4)液固气三相接触线上的线张力。早期的研究中都聚焦在特殊条件下，如在光滑表面上(仅仅考虑因素(1)和(3))或者小液滴(忽略重力，只考虑因素(2)和(3))，具有很大的局限性， 在很多情况下无法给出液滴的轮廓。而对于接触角获得，国内外研究人员一般是采用实验的 方法，结合图像分析法得到液滴在固体表面稳定的接触角。但是存在测量装置精度的限制、 操作上的偶然误差等问题，测量结果会出现不同程度的误差。此外，液有一些研究人员采用 计算的方法得出接触角，但是仍然忽略一些因素，如《一种规则二阶结构表面液滴接触角的 获取方法》，专利号申请号201611023855.1中提出的计算方法是在小液滴的情况下(忽略 重力，只考虑因素(2)和(3))。因此，为了能够在更复杂的表面上快速准确的获取液滴 的形状和接触角，研究和衡量固体表面的润湿性，迫切需要一种简单、完善的理论分析方法， 直接计算获得液滴的形状和在固体表面的接触角。

发明内容

本发明要克服现有技术的上述缺点，提出了一种水平规则双粗糙度表面重液滴轮廓和接 触角的计算方法，能够计算水平规则双粗糙度表面上重液滴的形状和接触角。

本发明设计了一个比以往方法更为普遍和准确的计算方法，利用这一方法可以得出水平 规则双粗糙度表面上的重液滴的形状和接触角。本发明方法综合考虑了因素(1)、(2)和 (3)，忽略了因素(4)，即线张力，因为它约为10^-10～10^-11的数量级，这比表面张力的数 量级要小10^-3J/m²。对于水平规则双粗糙度表面，只要知道其液气界面张力系数，液滴在一 级结构、二级结构和基底上的等效接触角，液滴体积，液滴密度以及结构尺寸，通过计算， 就能够从理论上分析计算得到液滴轮廓和接触角，对于实际应用中固体表面浸润性的表征具 有重要指导意义。

一种水平规则双粗糙度表面重液滴轮廓和接触角的计算方法，包括以下步骤：