专利名称：基于状态转换的超疏水表面流体滑移长度自比较测量方法
技术领域：
本发明涉及超疏水表面流体滑移减阻技术领域，特指一种基于超疏水状态转换现象的超疏水表面流体滑移长度自比较测量技术，其适用于流体在超疏水表面上的接触状态可控的情况下的流体滑移长度测量和研究中。

背景技术：
表面流体滑移是指流体流速与表面速度不一致的现象，是近二十年在疏水表面流体流动中发现的一种新现象。表面流体滑移通常以流体滑移长度来刻画，是Navier在1823年首先定义的，如图1所示，其定义为光滑表面2到流体1相对于表面的流速延伸在固体内部为零的点之间的距离，图中的v(z)为流体的流动速度，b为表面流体滑移长度，vs为流体在表面上的滑移速度，指表面上的流体与表面的相对速度。则滑移长度用公式表示为 b＝vs/(dv/dz) (1) 其中dv/dz为流体的剪切速率。滑移的产生使得流体沿程阻力相对降低，在工程中可用来实现系统的减阻节能，因此，目前普遍关注到表面流体滑移的增强技术。
超疏水表面的采用是一种实现滑移增强的技术，它在工程中具有潜在的应用价值。Philip在1972年对微结构表面上的流体流动进行分析，发现了微结构表面上的大滑移效应；2003年，Lauga等和Charlaix课题组分别采用理论分析和数值模拟的方法得到了超疏水表面的大滑移效应。这些结果为超疏水表面流体滑移研究提供了理论基础。在这些研究中，由于微结构上的流体速度分布不均匀，对流体滑移采用流体有效滑移长度来刻画，即公式(1)中的滑移速度和剪切速率采用它们的平均值来表示，有效滑移长度的计算公式为 (2) 其中beff为有效滑移长度，

为流体的平均滑移速度，η为流体的粘度，τ为流体承受的剪切应力。
由于其测试技术的欠缺，目前对超疏水表面流体滑移的实验研究工作开展较少。最早开展研究的是马萨诸塞大学的Ou等，他们在2004年和2005年采用微结构表面来构造管道，并通过流量-压降法对表面的减阻效果进行衡量。他们采用的方法需要构造超疏水管道，增大了超疏水表面流体滑移的研究难度；而且，测试方法中流体需要承受较大的压强，这容易导致流体在超疏水表面上的状态转换，失去测量的意义。2006年，加州大学洛杉矶分校的Choi等和美国新墨西哥大学的Truesdell等分别采用流变仪的不同夹具对超疏水表面上流体的滑移和减阻效果进行测试，实现了较为可观的表面流体滑移和减阻效果。然而，由于采用杯形夹具，Truesdell的方法实施起来却不很方便；而Choi测试时却受到液体铺展边界的影响。2006年法国里昂第一大学的Bocquet等曾对Choi的方法作出质疑，他们认为如图2所示的微结构超疏水表面4和夹具3构成的间隙内的流体1铺展时水平截面积的不均匀性将导致错误的大滑移长度的产生，进一步，他们采用μ-PIV方法对碳纳米管构成的微结构表面上的流体滑移进行精确测量，得到的滑移长度为2μm左右，远低于Choi的测试结果。虽然Bocquet的结果与理论结果吻合得较好，然而他们所采用的测试方法并不通用，到目前为止还没看到通过他们的方法对微米级结构表面上流体滑移的测试结果。周明等曾于2009年提出关于超疏水表面上流体滑移测量的两种方法，它们分别是基于改变夹具与表面间隙和对液体在超疏水表面上的铺展边界进行控制的，测试方法中需要对表面进行处理。
为实现超疏水表面流体滑移长度的研究，本专利提出了一种基于超疏水状态转换现象的超疏水表面流体滑移长度自比较测量方法。


发明内容
本发明的目的是基于平板式流变仪提出超疏水表面上流体滑移长度的测量方法，解决Choi的测试方法中测试偏差大的问题，实现超疏水表面流体滑移长度的精确测试。
发明的技术方案如下 一种基于超疏水状态转换现象的超疏水表面流体滑移长度自比较测量技术，其特征在于该方法按如下步骤进行 1)将可控制超疏水状态转换的超疏水表面放置于流变仪测试平台上，选用夹具(直径为标准直径，有Φ20mm，Φ40mm和Φ60mm三种，夹具类型有平板夹具和锥板夹具两种)并进行夹具位置标定和夹具旋转映射操作。
2)在流变测试过程中，首先测试流体在表面上处于Cassie接触状态时的表观粘度；而后通过外力的方法使流体与超疏水表面的接触状态发生改变，使流体在超疏水表面上处于Wenzel接触状态，在此过程中需要保证流体的边界情况与前一测试过程中的流体边界一致；再测量出此时流体的表观粘度。根据两次测量的表观粘度及夹具与测试表面间的间隙计算出两种接触状态下的滑移长度差距。
3)对超疏水表面进行处理，使其成为一般疏水表面，为方便与处理前的超疏水表面取分，将处理后的表面称为微结构表面，处理后要求液体在微结构表面上的接触角与光滑表面接触角相同；采用流变仪系统对光滑表面和微结构表面进行流变测试，测量出微结构表面上流体处于Wenzel状态下的滑移长度，该滑移长度等于流体在超疏水表面上处于Wenzel接触状态的滑移长度，结合该滑移长度与测量得到的液体在超疏水表面上处于Cassie模式和处于Wenzel模式下测量得到的滑移长度差距，计算出流体在超疏水表面处于Cassie状态下的滑移长度。(若Wenzel状态下流体的滑移长度已知，该步骤可省略) 上述方法中，超疏水状态转换可通过改变液体内部压强、采用电润湿方法、采用剪切诱导转换方法或或采用磁流体控制方法等方法实现，目前国内外已有报道，可参考这些报道的方法。
上述方法中，放置超疏水表面时需要保证超疏水表面与夹具表面严格平行，对流变仪夹具进行的位置标定和映射操作按流变仪手册指导进行。
上述方法中，流体是能够在测试表面上处于超疏水状态的流体，流体的表观粘度是直接从流变仪测试仪器上读出的，它是由施加在流变仪夹具上的扭矩和流体的剪切速率计算出来的，该表观粘度在流体滑移存在时与流体的真实粘度有差别。
上述方法中，滑移长度的定义式为(2)式，两种接触状态下的滑移长度差距为 beff-bW＝(ηaW/ηaC-1)D(3) 其中beff为流体在超疏水表面上处于Cassie状态的滑移长度，bW为流体在超疏水表面上处于Wenzel状态下的滑移长度，ηaW和ηaC分别为液体在超疏水表面上处于Wenzel状态和Cassie状态下的流体表观粘度，D为超疏水表面与夹具构成的间隙。
上述方法中，流体在超疏水表面上处于Wenzel状态下的滑移长度bW通过比较法测量得到，首先对微结构表面进行改性处理，使液体在表面上的接触角为100°，该处理过程可通过溅射适当的材料薄膜(如碳材料，厚度小于20nm)来实现；再通过流变仪测量一光滑表面和处理后的微结构表面上得到的流体粘度，并通过以下公式计算滑移长度 bW＝(ηasmooth/ηaW-1)D (4) 其中ηasmooth为光滑表面上测量得到的流体表观粘度。
本发明具有如下技术优势 测量精度提高，与Choi的方法相比，去除了液体在超疏水表面和疏水表面间隙内部的横截面分布不均匀对测试结果造成的影响。
测量过程方便，与构造管道法相比，本发明的方法不需要对管道内部表面进行处理，容易实现，而且测量过程变得简单可行。



图1表面流体滑移长度定义图 图2对超疏水表面上的流体滑移测量的流变仪测试示意图 图3自比较法测试原理(流体在超疏水表面上处于Cassie状态下的表观粘度与处于Wenzel状态下的表观粘度的比较) 图4流体在超疏水表面上处于Wenzel状态时的滑移长度测量 图5碳纳米管草坪表面上流体滑移长度测量 1流体，2表面，3流变仪夹具，4微结构超疏水表面，5Cassie状态，6Wenzel状态，7碳纳米管草坪表面，8碳纳米管表面上的液滴图像。
实施方式 下面结合图3和图4说明本发明提出的具体工艺的实施细节和工作情况。
测量时，流变仪夹具3直径可选为Φ20mm，Φ40mm，Φ60mm；流变仪夹具类型可选为平板夹具和锥板夹具。流体1在微结构超疏水表面4和流变仪夹具3构成的间隙内的横截面面积随高度的不同而发生变化，与微结构超疏水表面4接触位置的横截面面积最小。此时的流体1铺展与标准测试情形的铺展有差别(标准的铺展流体1的外形为鼓形，流体1与流变仪夹具3和测试表面2的接触面积相同，参见图4和流变测试手册)。
图3为本发明的两种比较情况，图3(a)和图3(b)分别是同一次测量中流体1在微结构超疏水表面4上处于Cassie状态5和Wenzel状态6的情况。两种情况下，流体1的边界相同，流体1与流变仪夹具3之间的滑移长度在两种情况下是一致的，因此，两种测试情况下得到的流体表观粘度的差别仅由流体1在微结构超疏水表面4上处于不同接触状态导致的滑移长度差别决定，即由表观粘度的差别可得出两种测试情况下流体与表面之间的滑移长度差别(按计算公式(3)计算)。
测试实施过程中，在测试初始阶段，流体1在微结构超疏水表面4上处于Cassie状态5(流体与超疏水表面形成的界面和复合界面，界面上部分流体与气体接触，部分与固体接触)，测量得到此时的流体表观粘度以后，通过外力作用使流体1在微结构超疏水表面4上的接触状态转换为Wenzel状态6，转换后的Wenzel状态如图3(b)所示。此时的流体1的横截面面积分布与Cassie状态的一致，但流体1渗入到微结构内部。此时，采用流变仪测量出流体表观粘度。将以上两种情况下测试得到的表观粘度代入到公式(3)中即可求取流体1在微结构超疏水表面4上处于不同状态下的滑移长度差别。
一般情况下，流体1在微结构超疏水表面4上处于Wenzel状态6时的滑移长度很小，可忽略。在不能忽略的情况下，通过图4所示的测试方法对此时的流体滑移长度进行测量。图4(a)为流体1在微结构超疏水表面4处于Wenzel状态6的测试情况，图4(b)为在光滑表面2上对流体1进行测试的情况。对两种测试情况下测量得到的流体表观粘度并将它们代入到公式(4)中即可得到流体1在微结构超疏水表面上处于Wenzel状态6下的滑移长度。
测试的具体过程为首先对微结构超疏水表面4进行镀膜处理，一般采用碳膜，水滴在碳膜上的接触角为84°，因此，处理后的微结构超疏水表面4上流体1铺展与光滑疏水表面2相近。由微结构超疏水表面4与流变仪夹具3构成的间隙内部的流体铺展和标准情况一致，此时可采用光滑表面2进行对比测试得到流体1在微结构超疏水表面4上处于Wenzel状态6的滑移长度。
将流体1在微结构超疏水表面4上处于Wenzel状态6下的滑移长度代入公式(3)中即可得到流体1在微结构超疏水表面4上处于Cassie状态5下的滑移长度。
实施例(图5、碳纳米管草坪表面) 图5为碳纳米管草坪表面及其超疏水性能和流体在碳纳米管草坪表面上处于Cassie状态的滑移长度。图5(a)为碳纳米管草坪表面及其超疏水性能，从碳纳米管草坪表面7上的液滴8形状可以看出，此时碳纳米管草坪表面具有较好的超疏水性能。
采用Φ20mm的平板夹具3对碳纳米管草坪表面7进行测量。按一般的测量过程，将碳纳米管草坪表面7放置于测试平台上，对平板夹具3的位置进行标定并进行映射。在剪切速率较低时测量出流体表观粘度，此时流体在碳纳米管草坪表面7上处于Cassie状态5。测试过程中流体1的剪切速率不断增大，流体1与碳纳米管间的剪切作用增大，碳纳米管发生微小变形，变形到一定程度时流体1浸入到碳纳米管形成的微结构中，流体1在碳纳米管草坪表面上的接触状态变换为Wenzel状态6。在Wenzel状态6下对流体表观粘度进行测量。
根据Bocquet等人的测量结果，流体在碳纳米管草坪表面7上处于Wenzel状态6时的滑移长度很小，可忽略，即bW＝0。
图5(b)流体在碳纳米管草坪表面上处于Cassie状态的滑移长度，其中滑移长度通过公式(3)进行计算。在剪切速率较低时，流体在表面上具有较大的滑移，滑移长度约为6μm，而在剪切速率较高时，流体的滑移为零。测试得到的滑移长度远小于Choi测试得到的结果(20～50μm)，本方法测试得到的结果与Bocquet的分析结果在同一数量级(2μm)，因此，本专利的测试方法中去除了微结构超疏水表面4与流变仪夹具3形成的间隙内部流体1横截面面积分布不均所带来的影响。
结合其他状态转换控制方法的流体滑移测试方法可以按照以上方法进行。
权利要求
1.一种基于状态转换的超疏水表面流体滑移长度自比较测量方法，其特征在于该方法按如下步骤进行
1)将可控制超疏水状态转换的超疏水表面放置于流变仪测试平台上并选用夹具并进行夹具位置标定和夹具旋转映射操作后，对超疏水表面上进行流变测试操作，过程如下首先测试流体在表面上处于Cassie接触状态时的表观粘度；而后通过外力的方法使流体与超疏水表面的接触状态发生改变，使流体在超疏水表面上处于Wenzel接触状态，再测量出此时流体的表观粘度，根据两次测量的表观粘度及夹具与测试表面间的间隙计算出两种接触状态下的滑移长度差距；
2)对超疏水表面进行处理，使液体在超疏水表面上的接触角与光滑表面接触角相同；采用流变仪系统对疏水表面和处理后的超疏水表面进行流变测试，测量出超疏水表面上流体处于Wenzel状态下的滑移长度，该滑移长度等于流体在超疏水表面上处于Wenzel接触状态的滑移长度，结合该滑移长度与第二步中测量得到的液体在超疏水表面上处于Cassie模式和处于Wenzel模式下测量得到的滑移长度差距，计算出流体在超疏水表面上处于Cassie状态下的滑移长度。
2.根据权利要求1所述的滑移长度测试方法，其特征在于夹具为锥板夹具或平板夹具，夹具的直径为Φ20mm、Φ40mm或Φ60mm。
3.根据权利要求1所述的所述的滑移长度测试方法，其特征在于两种接触状态下的滑移长度差距计算公式为
beff-bW＝(ηaW/ηaC-1)D
其中beff为流体在超疏水表面上处于Cassie状态的滑移长度，bW为流体在超疏水表面上处于Wenzel状态下的滑移长度，ηaW和ηaC分别为液体在超疏水表面上处于Wenzel状态和Cassie状态下的流体表观粘度，D为超疏水表面与夹具构成的间隙。
4.根据权利要求1所述的所述的滑移长度测试方法，其特征在于Wenzel接触模式下的滑移长度计算公式为
bW＝(ηasmooth/ηaW-1)D
其中ηasmooth为光滑表面上测量得到的流体表观粘度。
全文摘要
一种基于状态转换的超疏水表面流体滑移长度自比较测量方法，首先测试流体在表面上处于Cassie接触状态时的表观粘度；使流体与超疏水表面的接触状态发生改变，使流体在超疏水表面上处于Wenzel接触状态，再测量出此时流体的表观粘度，计算出两种接触状态下的滑移长度差距；对超疏水表面进行处理，使液体在超疏水表面上的接触角与光滑表面接触角相同；对疏水表面和处理后的超疏水表面进行流变测试，测量出超疏水表面上流体处于Wenzel状态下的滑移长度，其等于流体在超疏水表面上处于Wenzel接触状态的滑移长度，计算出流体在超疏水表面上处于Cassie状态下的滑移长度。本发明测量精度提高去除了液体在超疏水表面和疏水表面间隙内部的横截面分布不均匀对测试结果造成的影响。
文档编号G01N13/00GK101819126SQ20101013245
公开日2010年9月1日 申请日期2010年3月24日 优先权日2010年3月24日
发明者周明, 李健, 袁润, 叶霞, 吴春霞 申请人:江苏大学