仿水黽腿結(jié)構(gòu)液下接觸角的測量方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于測量技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及仿水黽腿結(jié)構(gòu)液下接觸角的測量方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 水上負載是船舶、航海等領(lǐng)域的重要研究課題。近年來，受水黽非凡水上行走能 力的啟發(fā)，各種仿水黽模型已經(jīng)相繼建立起來以提高水上載重。研究表明，水黽出色的水 上行走能力與其腿部的超疏水特性密不可分。經(jīng)測量，水滴在水黽水黽腿部的接觸角可達 到167. 64 4.4 °，水黽腿顯示出良好的超疏水特性。正是由于這種超疏水性能的作用，水 黽在自身重力作用下不會刺破水面，而是在水面形成水渦，由此產(chǎn)生數(shù)值可觀的托舉力，支 撐著水黽在水面的自如活動。因此，制備仿水黽腿結(jié)構(gòu)，使其具有類似于水黽腿的超疏水性 能，為提高水上載重能力提供了一條有效途徑。同時，如何有效得到仿水黽腿結(jié)構(gòu)在水中的 接觸角數(shù)值，從而了解仿水黽腿結(jié)構(gòu)在水下浸潤狀態(tài)，為揭示接觸角與水上承重之間的相 互作用規(guī)律提供理論依據(jù)，也成為了該領(lǐng)域的重要研究內(nèi)容。
[0003] 目前對于仿水黽腿結(jié)構(gòu)水下接觸角的研究主要通過光學(xué)成像的方式來進行。其主 要運作方式為：首先將液體置入方形的透明容器中，然后將所研究的固體材料(如仿水黽腿 結(jié)構(gòu))與液面進行接觸。采用光學(xué)透射成像技術(shù)對所形成的固-液及氣-液界面進行成像， 隨后對界面曲線進行擬合，經(jīng)測量得到氣-液界面與固-液界面之間所形成的夾角。這種 方法雖然具有簡便易行的特點，但所形成的界面圖像會因鏡頭景深及聚焦位置的不同而產(chǎn) 生差異，使得界面位置不容易確定；同時，更主要的是，由于受到光學(xué)成像原理的限制，這種 方法不能對材料任意橫截面上的液體浸潤情況進行原位成像，因而不利于界面分析的準確 進行。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明的目的在于提出一種測量仿水黽腿結(jié)構(gòu)在浸入液體中時形成的接觸角的 新方法，用以滿足常規(guī)光學(xué)條件難以達到的液下接觸角的精確測量。
[0005] 為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供如下技術(shù)方案： 仿水黽腿結(jié)構(gòu)液下接觸角的測量方法，借助核磁共振成像技術(shù)對仿水黽腿結(jié)構(gòu)浸入液 體后形成的液渦橫斷面進行成像，然后對圖像進行分析，確定固液及氣液界面所在位置并 得到相應(yīng)的界面曲線，在此基礎(chǔ)上對界面曲線進行分析擬合及測量，最終得到仿水黽腿結(jié) 構(gòu)液下接觸角數(shù)值。
[0006] 優(yōu)選的，在上述的仿水黽腿結(jié)構(gòu)液下接觸角的測量方法中，所述的測量方法包括 步驟： 51、 對仿水黽腿結(jié)構(gòu)進行制備、清洗和干燥； 52、 將仿水黽腿結(jié)構(gòu)與液面進行接觸并緩緩下壓，直至仿水黽腿結(jié)構(gòu)在液體表面形成 最大的液渦而不刺破液面； 53、 將步驟s2形成的固液體系樣品放置于核磁共振成像儀的樣品腔內(nèi)； 54、 在垂直于水黽腿水平結(jié)構(gòu)的斷面上對液體進行磁共振成像，得到磁共振圖像； 55、 對得到的圖像進行亮度及對比度調(diào)節(jié)，確定固液及氣液界面曲線位置及形狀； 56、 對界面曲線進行分析擬合，并通過測量或計算，得到仿水黽腿結(jié)構(gòu)液下接觸角數(shù) 值。
[0007] 優(yōu)選的，在上述的仿水黽腿結(jié)構(gòu)液下接觸角的測量方法中，所述仿水黽腿結(jié)構(gòu)的 材質(zhì)為非金屬。
[0008] 優(yōu)選的，在上述的仿水黽腿結(jié)構(gòu)液下接觸角的測量方法中，所述仿水黽腿結(jié)構(gòu)的 材質(zhì)為玻璃、非磁性無機材料或高分子聚合物。
[0009] 優(yōu)選的，在上述的仿水黽腿結(jié)構(gòu)液下接觸角的測量方法中，所述液體為任何原子 核自旋量子數(shù)為1/2的液體。
[0010] 優(yōu)選的，在上述的仿水黽腿結(jié)構(gòu)液下接觸角的測量方法中，所述步驟s6中，擬合 方式選自多項式擬合、圓形擬合或橢圓擬合。
[0011] 優(yōu)選的，在上述的仿水黽腿結(jié)構(gòu)液下接觸角的測量方法中，所述步驟s6中，所述 接觸角數(shù)值的測量或計算采用量高法或量角法。
[0012] 優(yōu)選的，在上述的仿水黽腿結(jié)構(gòu)液下接觸角的測量方法中，所述步驟Sl中，所述 仿水黽腿結(jié)構(gòu)的材質(zhì)為玻璃，依次采用丙酮、乙醇和二次去離子水對仿水黽腿結(jié)構(gòu)進行清 洗。
[0013] 優(yōu)選的，在上述的仿水黽腿結(jié)構(gòu)液下接觸角的測量方法中，所述仿水黽腿結(jié)構(gòu)吹 干后，還包括采用氟硅烷對其表面進行修飾。
[0014] 優(yōu)選的，在上述的仿水黽腿結(jié)構(gòu)液下接觸角的測量方法中，所述液體為十二烷或 0. 5%的硫酸銅水溶液。
[0015] 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的優(yōu)點在于： 1) 可針對任何材質(zhì)為非金屬的材料進行液體中接觸角的測量； 2) 可對任何原子核自旋量子數(shù)等于1/2的液體進行成像； 3) 對實驗體系的光學(xué)透明性無要求； 4) 可采集得到材料任意橫截面上液體的磁共振圖像，從而實現(xiàn)任何位置上液體接觸角 的測量； 5) 可對斷面形狀不規(guī)則的材料進行液下接觸角測量。
【附圖說明】
[0016] 為了更清楚地說明本發(fā)明實施例或現(xiàn)有技術(shù)中的技術(shù)方案，下面將對實施例或現(xiàn) 有技術(shù)描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本 發(fā)明中記載的一些實施例，對于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動的前提下， 還可以根據(jù)這些附圖獲得其他的附圖。
[0017] 圖1所示為本發(fā)明第一實施例中仿水黽腿結(jié)構(gòu)與液面接觸時的示意圖； 圖2所示為本發(fā)明第一實施例中磁共振成像選層方向示意圖； 圖3所示為本發(fā)明第一實施例中界面擬合及接觸角測量的示意圖，其中左圖所示為固 液體系斷面形狀，右圖所示為基于斷面圖所作的界面曲線擬合； 圖4所示為本發(fā)明第一實施例中磁共振圖像及接觸角測量的示意圖，其中，左圖為水 斷面的磁共振圖像，右圖所示為左圖中所選區(qū)域的放大圖。
【具體實施方式】
[0018] 本發(fā)明通過借助磁共振成像技術(shù)，對仿水黽腿結(jié)構(gòu)浸入液體后所形成的液渦斷面 進行成像，經(jīng)過選擇合適的射頻脈沖，對成像方向（液渦斷面方向)、成像層厚(最小層厚至 全層）以及圖像參數(shù)進行優(yōu)化設(shè)置，得到仿水黽腿結(jié)構(gòu)橫截面上的液渦斷面圖。經(jīng)過對斷面 圖進行處理，確定固-液及氣-液界面所在位置，并對界面曲線進行分析。通過對界面曲線 進行擬合，測量氣液界面曲線過三相接觸點的切線與固-液界面曲線所形成的夾角，最終 得到液下接觸角數(shù)值。
[0019] 本發(fā)明通過下列實施例作進一步說明：根據(jù)下述實施例，可以更好地理解本發(fā)明。 然而，本領(lǐng)域的技術(shù)人員容易理解，實施例所描述的具體的物料比、工藝條件及其結(jié)果僅用 于說明本發(fā)明，而不應(yīng)當也不會限制權(quán)利要求書中所詳細描述的本發(fā)明。
[0020] 以下將以上海紐邁電子科技有限公司生產(chǎn)的NMI-20 Analyst及MicroMR20磁共 振成像儀為例，對本發(fā)明的【具體實施方式】進行展開說明。需要指出的是，本發(fā)明提出的方法 適合在任何規(guī)格及型號的磁共振成像儀上操作，下面所述實施例只用于舉例說明，并非限 制本發(fā)明。
[0021] 實施例1 1. 取直徑為0.5 mm的玻璃棒(或封口的毛細管)，將其仿照水黽腿在水中的形態(tài)進行 加工，根據(jù)設(shè)備要求，控制其水平部分的長度小于15 mm; 2. 依次采用丙酮、乙醇及二次去離子水對該玻璃結(jié)構(gòu)進行浸泡清洗，隨后取出用氮氣 吹干； 3. 取二次去離子水注入潔凈的15 mm核磁管中，根據(jù)設(shè)備要求，控制液面高