[发明专利]一种亲水粗糙表面上重液滴的接触角滞后求取方法

说明书

一种亲水粗糙表面上重液滴的接触角滞后求取方法，包括：(1)构建亲水表面上的重液滴系统；(2)推导重液滴在规则粗糙亲水表面上的系统无量纲总能量函数：(3)当液滴的接触圆半径r_b已知情况下求取液滴轮廓和表观接触角；(4)求取液滴在水平亲水粗糙表面上滞后角和截面轮廓。本发明利用极坐标系对重液滴轮廓进行划分，同时结合MATLAB软件中‘fmicon’函数的进行编程，通过输入给定液滴和表面的几何参数下，就可以快速计算出重液滴界面轮廓曲线和滞后角值，为亲水表面接触角滞后测定实验提供指导作用。

技术领域

本发明涉及一种水平亲水粗糙表面上重液滴接触角滞后求取方法。

背景技术

接触角滞后现象研究存在于工业、农业、医学、生物学和超亲/疏水材料等诸多领域，在亲/疏水表面上液体的浸润、沸腾、铺展和冷凝等过程中扮演着十分重要的角色。重液滴在理想的光滑、均质表面上处于热力学平衡状态，此时接触角有唯一值。但是实际固体表面有一定粗糙度，由于粗糙度、化学成分的不均匀等原因，三相接触线移动使得实际固体表面上的接触角并非Young方程、Wenzel方程和Cassie方程所预示的取值唯一，而是在前进角和后退角之间变化，它们的差值就是接触角滞后，这种现象被称为接触角滞后现象(CAH)。接触角滞后反映了液滴在表面上移动的难易程度，接触角滞后越小液滴越容易移动。接触角滞后的研究对液滴在固体表面的铺展与运动过程分析和各种亲/疏水表面的应用具有指导作用和重要意义。

目前，表面上重液滴接触角滞后研究方法主要有三种：斜板法,吊片法,增/减体积法等，但目前广泛使用的测定方法是增/减体积法。为了简化接触角滞后计算步骤，节省计算时间，基于该方法利用最小总能量理论结合非线性优化的有限差分法，并利用MATLAB的fmincon函数编程来计算水平亲水表面上液滴接触角滞后。

专利申请号201810413042.6,公开日2018年11月13日,公开了“一种水平规则双粗糙度表面重液滴接触角滞后的计算方法”。此专利针对微纳复合结构的疏水表面,主要讨论了四类液滴润湿状态下,随着液滴浸润深度x1和x2变化,系统总能量与液滴在固体表面接触角之间的联系,确定系统的最小总能量和相应的稳定润湿状态及液滴滞后角。在对重液滴截面轮廓进行划分时，采用直角坐标系进行离散计算量会比较大，同时不适合计算具有亲水特性的粗糙表面上液滴分析，因此本发明采用极坐标系对液滴轮廓曲线划分，大大提高了计算效率，同时适用于亲水粗糙表面分析。

发明内容

本发明要克服现有技术的上述缺点,提供一种给定水平亲水粗糙表面上重液滴接触角滞后求取方法,能够快速计算水平亲水粗糙表面上重液滴的接触角滞后(CAH)。

一种亲水粗糙表面上重液滴的接触角滞后求取方法，步骤如下：

(1)构建亲水表面上的重液滴系统；

亲水表面上的重液滴系统是由液滴和微结构表面区域构成组成，其中表面上周期性分布微米柱，该系统的几何参数为:圆柱的直径d、圆柱间距a和柱高h。液滴在水平表面上的轮廓是轴对称图形，因此，通过液滴截面轮廓可分析出液滴接触角滞后现象。选择极坐标系来分析液滴的轮廓曲线，定义与液滴表观接触面平行且水平右方向为Y轴正方向，将液滴的接触面的对称轴的交点定义为原点O，把垂直于接触面且通过原点的方向定义为Z方向,X正方向为垂直于YOZ平面且由内向外的指向。定义从O点到液滴轮廓曲率上的一点距离为矢径与Z轴正方向之间的夹角为还定义了h_a为接触面到液滴顶点的距离，h_amax为h_a最大值，r_b-1为接触圆的半径，r_bmax为r_b-1的最大值。

(2)推导重液滴在规则粗糙亲水表面上的系统无量纲总能量函数,推导过程如下：

21.构建系统模型几何参数关系式；

表面的粗糙度，即实际固-液接触面积总面积与表观固-液表面积之比：