CN105688681B - 一种歧管、包含其的多孔薄膜的渗透率检测系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及检测技术领域，公开了一种歧管、包含其的多孔薄膜的渗透率检测系统及方法。本发明中，歧管用于在多孔薄膜的渗透率检测中引导流体通过多孔薄膜；歧管包含一个进气口，一个出气口，一个中心槽和两个边槽；进气口连通中心槽，边槽连通出气口；且两个边槽与中心槽平行设置，并分布在中心槽两侧；压力传感器连接在注射泵和进气口之间；注射泵用于在多孔薄膜的渗透率检测中提供可调节流速的流体；压力传感器用于在多孔薄膜的渗透率检测中检测进气口与出气口之间的压力差，根据注射泵的流体流速和压力差测量值，采用达西定律计算待测多孔薄膜的渗透率。本发明能够直接检测出多孔薄膜等的水平渗透率，具有广阔的应用前景。

Description

一种歧管、包含其的多孔薄膜的渗透率检测系统及方法

技术领域

本发明涉及渗透率检测技术领域，特别涉及一种歧管、包含其的多孔薄膜的渗透率检测系统及方法。

背景技术

多孔薄膜的水平渗透率是决定其毛细管润湿以及流动性等特性的重要流体力学属性。多孔介质的流体渗透率在著名的达西定律(Darcy’s Law)有描述，达西定律认为渗透率反映了多孔材质对于流体流动的阻碍作用。渗透率在三维空间具有三个分量。对于一个多孔薄膜而言，渗透率包含两个平面渗透率(in-plane permeability，又称水平渗透率)以及穿过平面渗透率(through-plane permeability)。达西定律的计算公式如式(1)，

其中，Q是体积流量速率，A是垂直于流动方向的横截面积，κ(κ即Kappa)是材料的渗透率(κ可以是水平渗透率或者穿过平面渗透率)，μ是流体的动态粘度，是沿流动路径的压力梯度。由于密封不良而导致流体泄露，使得通过实验采用液体渗透率表征渗透率非常困难，也就是说，流体泄漏影响了多孔薄膜的渗透率检测的准确度。

达西定律在渗透率研究的许多领域得以应用。穿过平面渗透率在服装面料等的领域已取得一定的研究成果。水平渗透率对于优化模具结构具有帮助，而研究人员对于纳米等微观制造技术中的多孔薄膜的渗透率十分感兴趣。比如，其在水处理中的应用，渗透率是理解水、氧气和细菌等的透过过滤器的关键点。再如，研究人员对于角膜的渗透率加以研究，以便学习其功能。长久以来，在通过实验直接测试多孔薄膜的水平渗透率上一直面临困难，原因在于薄膜侧壁的横截面积小而难于实现流体的密封。已有的渗透率检测方法主要针对宏观材料，即样品材料的体积在毫米级以上。对微纳米级别的薄膜的渗透率表征也停留在穿过平面渗透率上，而对水平渗透率的测量一直存在检测操作不便、难以实施、精确度差的问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种歧管、包含其的多孔薄膜的渗透率检测系统及方法，其能够直接检测出多孔薄膜等的水平渗透率，具有广阔的应用前景。

为解决上述技术问题，本发明的实施方式提供了一种歧管，所述歧管用于在多孔薄膜的渗透率检测中引导流体通过多孔薄膜；所述歧管包含一个进气口，一个出气口，一个中心槽和两个边槽；其中，所述进气口连通所述中心槽，所述边槽连通所述出气口；所述进气口与所述出气口位于所述歧管相对的两个面，所述中心槽和所述边槽位于不同于所述进气口与所述出气口所在面的第三面，且两个边槽与所述中心槽平行设置，并分布在所述中心槽两侧。

本发明的实施方式还提供了一种多孔薄膜的渗透率检测系统，包含如前所述的歧管、注射泵、压力传感器；所述压力传感器连接在所述注射泵和所述进气口之间；其中，所述注射泵用于在多孔薄膜的渗透率检测中提供可调节流速的流体；所述压力传感器用于在多孔薄膜的渗透率检测中检测所述进气口与所述出气口之间的压力差。

本发明的实施方式还提供了一种多孔薄膜的渗透率检测方法，采用如前所述的多孔薄膜的渗透率检测系统进行检测；所述多孔薄膜的渗透率检测方法包含以下步骤：将待测多孔薄膜放置在所述歧管下方，其中，所述歧管有中心槽和边槽的一面接触所述待测多孔薄膜；采用所述注射泵提供一定流速的流体流；待所述压力传感器测得的流体压力达到稳定状态时，读取压力传感器显示的压力差测量值；根据注射泵的流体流速和压力差测量值，采用达西定律计算所述待测多孔薄膜的渗透率。

本发明实施方式相对于现有技术而言，歧管包含一个进气口，一个出气口，一个中心槽和两个边槽，且进气口连通中心槽，两个边槽连通出气口，而且两个边槽与中心槽平行设置，并分布在中心槽两侧，从而，可以通过进气口将外部流体引入歧管的中心槽，而流体经由中心槽渗透入多孔薄膜，并从多孔薄膜的中心向两端水平渗透，再渗透至两边槽，经由两边槽排出歧管外部，进而提供了多孔薄膜水平渗透率测试所需的流体引导功能。

本发明的多孔薄膜的渗透率检测系统及检测方法相对于现有技术而言，包含歧管、注射泵、压力传感器，且压力传感器连接在注射泵和进气口之间，注射泵用于在多孔薄膜的渗透率检测中提供可调节流速的流体，而压力传感器用于在多孔薄膜的渗透率检测中检测歧管进气口与出气口之间的压力差。从而，根据检测到的压力差和注射泵的流体流速计算多孔薄膜的水平渗透率，实现了多孔薄膜水平渗透率的直接检测。

优选地，所述多孔薄膜的渗透率检测系统还包含用于密封的压力产生装置；所述压力产生装置位于所述歧管的正上方，其产生的密封力作用于所述歧管上一平面，该平面与所述中心槽和所述边槽所处平面相对。从而，可以提高渗透率检测的精度。

优选地，所述密封力产生装置包含一金属盒，一金属臂和一承重球；所述金属臂的一端安装所述承重球，另一端安装所述金属盒；当所述密封力产生装置在多孔薄膜的检测中提供密封力时，所述金属盒内放置可调节重量的砝码，所述承重球抵持于所述歧管；所述金属盒的水平边缘设有水平仪，通过所述水平仪调整所述金属盒使其保持水平，并使密封力保持垂直。从而不仅可以灵活调节密封力的大小，而且使得密封力的作用更均匀。

优选地，所述多孔薄膜的渗透率检测系统还包含温度控制装置；所述温度控制装置位于待测多孔薄膜下方，在多孔薄膜的渗透率检测中提供合适的温度，用来帮助多孔薄膜与歧管的所述中心槽和所述边槽所处平面能够更好的密封。

优选地，所述温度控制装置包含加热板，热电偶和温度控制电路；所述待测多孔薄膜放置在所述加热板上，所述热电偶贴附于所述多孔薄膜；所述温度控制电路接收所述热电偶反馈的温度，控制所述加热板进行加热，直到温度维持在合适的温度。从而可以实现温度的自动控制，简化测试过程。

优选地，在所述采用达西定律计算所述待测多孔薄膜的渗透率的步骤中，采用边缘因数对达西定律的计算公式进行修正。

优选地，所述边缘因数通过以下方法快速得到：制作2张不同尺寸规格的多孔薄膜；其中，第一多孔薄膜的四条边都大于歧管与多孔薄膜的接触面的四条边，第二多孔薄膜之平行于歧管中心槽或者边槽的边的长度与中心槽或者边槽的长度相等且第二多孔薄膜的另一组对边的边长大于所述歧管与所述第二多孔薄膜的接触面所对应的边；分别检测所述第一多孔薄膜和所述第二多孔薄膜的渗透率；将所述第二多孔薄膜的渗透率与所述第一多孔薄膜的渗透率的比值作为所述边缘因数。从而可以方便、快速获取边缘因数。

优选地，所述边缘因数通过以下方法精确得到：制作2张不同尺寸规格的多孔薄膜；其中，第一多孔薄膜的四条边都大于歧管与多孔薄膜的接触面的四条边，第二多孔薄膜之平行于中心槽或者边槽的边的长度与中心槽或者边槽的长度相等且第二多孔薄膜的另一组对边的边长大于所述歧管与所述第二多孔薄膜的接触面所对应的边；分别检测所述第一多孔薄膜和所述第二多孔薄膜在以下两种状态下的线性因子：第一状态：采用中心槽作为进气槽，2个边槽作为出气槽；第二状态：采用2个边槽中的一个作为进气槽，另一个边槽和中心槽通过接触非多孔材料(如多孔薄膜的基底材料)实现密封，流体通过多孔薄膜释放到周围环境中；其中，所述线性因子为稳定状态下压力差测量值与体积流量速率的比值；将第二薄膜在第二状态的线性因子与第一薄膜在第二状态的线性因子的比值乘以第一薄膜在第一状态的线性因子与第二薄膜在第一状态的线性因子的比值，得到所述边缘因数。从而，可以提高边缘因数的精度，进而得到更为精确的渗透率。

附图说明

图1是根据本发明第一实施方式歧管的结构示意图；

图2是根据本发明第二实施方式多孔薄膜的渗透率检测系统的结构示意图；

图3是根据本发明第二实施方式歧管上砝码重量由轻到重或者由重到轻时稳定状态下流体压力与密封力关系曲线图；

图4是根据本发明第三实施方式多孔薄膜的渗透率检测方法的流程图；

图5a是根据本发明第三实施方式第一种样品的微观结构示意图；

图5b是根据本发明第三实施方式第二种样品的微观结构示意图；

图6是根据本发明第四实施方式气流经歧管中心槽渗透通过多孔薄膜而入两边槽的气流路径示意图，箭头代表的气流路径属于非边缘渗透；

图7是根据本发明第四实施方式歧管与多孔薄膜之间具有边缘渗透的流体路径示意图；

图8a是根据本发明第四实施方式A1状态下第一多孔薄膜与歧管位置结构示意图及流体渗透路径示意图；

图8b是根据本发明第四实施方式A2状态下第二多孔薄膜与歧管位置结构示意图及流体渗透路径示意图；

图8c是根据本发明第四实施方式B1状态下第一多孔薄膜与歧管位置结构示意图及流体渗透路径示意图；

图8d是根据本发明第四实施方式B2状态下第二多孔薄膜与歧管位置结构示意图及流体渗透路径示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的各实施方式进行详细的阐述。然而，本领域的普通技术人员可以理解，在本发明各实施方式中，为了使读者更好地理解本申请而提出了许多技术细节。但是，即使没有这些技术细节和基于以下各实施方式的种种变化和修改，也可以实现本申请各权利要求所要求保护的技术方案。

由于多孔薄膜的水平方向尺寸(一般是毫米或者厘米级)要远远大于其垂直方向的厚度(一般是微米或者纳米级)，在其表面施加一定的流体压力和流速要比在其侧壁施加要容易得多。基于此，本发明在测量多孔薄膜的水平渗透率时，在其表面实现密封并施加流体压力和流速。在一定的压力下，流体会先在多孔薄膜内沿垂直方向渗透，然后进行水平方向渗透。因此，测得的渗透率结果会不可避免包含穿过平面渗透率的影响。但是，由于薄膜厚度远远小于其水平方向尺寸，垂直方向渗透产生的压力差要远远小于水平方向渗透产生的压力差，从而使得本方法测得的渗透率主要取决于水平渗透率，而穿过平面渗透率可以忽略不计。

本发明的第一实施方式涉及一种歧管1，如图1所示，该歧管1用于在多孔薄膜的渗透率检测中引导流体通过多孔薄膜，歧管1包含一个进气口10，一个出气口11，一个中心槽12和两个边槽13。其中，进气口10连通中心槽12，边槽13连通出气口11。进气口10与出气口11位于歧管1相对的两个面，中心槽12和边槽13位于不同于进气口与出气口所在面的第三面，且两个边槽与中心槽平行设置，并分布在中心槽两侧。

具体而言，作为举例而非限制，可以采用3D打印技术打印出该歧管，优选地，可以采用丙烯酸(acrylic)作为歧管的材质。歧管包含歧管本体，歧管本体具有一底面，本实施方式中歧管本体的底面为矩形。一个中心槽和两个边槽分别平行设置于底面，且中心槽和两边槽的开口所在面均为歧管本体的外表面。其中，歧管本体的外表面用于接触待检测多孔薄膜。歧管本体设有进气口和出气口，进气口连通于中心槽，出气口与两边槽相连通。外部气流可由进气口进入歧管本体，并流经中心槽，两边槽可将流经其内的流体经由出气口排出至歧管本体外部。

因为气体的密封相对容易，渗透率的测量可以采用气体。但本实施方式仅以气流作为流体的一种示例进行说明，流体可以包含各种能够透过多孔薄膜的气体、液态形式，本发明的保护范围不应以此为限。

本实施方式歧管的使用方法如下：将待检测的多孔薄膜密封覆盖于歧管底面的外表面，中心槽和两边槽的开口正对多孔薄膜的表面。经由进气口向歧管本体注射气流，气流经中心槽流向多孔薄膜，并向多孔薄膜两端渗透，渗透出的气流经两边槽、并从出气口流出歧管本体。

本实施方式相对于现有技术而言，提供了一种操作方便并且能够量化进出于多孔薄膜内的流体的歧管，从而为多孔薄膜水平渗透率的直接检测打下了基础。

本发明的第二实施方式涉及一种多孔薄膜的渗透率检测系统。本实施方式提供一种任意厚度的多孔薄膜水平渗透率的直接检测系统及方法，并且通过实验对其进行了验证。

具体地说，如图2所示，本实施方式的检测系统包含如第一实施方式所述的歧管1，注射泵2和压力传感器3，用于密封的压力产生装置4。其中，注射泵2用于在多孔薄膜的渗透率检测中提供可调节流速的流体。作为举例而非限制，本实施方式中的注射泵可以采用哈佛仪器，型号55-2226。压力传感器3连接在注射泵2和进气口10之间，并用于在多孔薄膜的渗透率检测中检测进气口与出气口之间的压力差。压力传感器可以获取歧管进气口的气压，而歧管出气口与周围大气连通，等同于大气压，因此，在获取了歧管进气口的气压时，相应地，即可得到歧管进气口与出气口之间的压力差。

由于歧管与多孔薄膜接触表面之间的良好密封性是十分重要的，即两者之间的密封性越好，渗透率检测得精度越高，所以，在本实施方式中，采取了以下措施，以确保两者之间具有良好的密封性并减小系统泄露。

歧管进气口与出气口均安装有由环氧树脂制成的针状接头，该针状接头用于对进气口与出气口的连接区域进行密封。

鉴于歧管与多孔薄膜之间的接触表面是平整的，本实施方式中通过在歧管上施加足够大的密封力并且将多孔薄膜加热到合适的温度，从而使得歧管和多孔薄膜之间实现良好密封。

具体而言，本实施方式包含有用于密封的压力产生装置4，其位于歧管1的正上方，其产生的密封力作用于歧管上一平面，该平面与中心槽和边槽所处平面相对。具体地，压力产生装置包含一金属盒，一金属臂和一承重球40。金属臂4的一端安装承重球40，另一端安装金属盒。当压力产生装置在多孔薄膜的渗透率检测中提供密封力时，金属盒内放置可调节重量的砝码，承重球抵持于歧管。较佳地，金属盒的水平边缘设有水平仪(图未示)，通过水平仪调整金属盒使其保持水平，并使密封力保持垂直。优选地，金属臂为L形金属臂，歧管的抵持于承重球的位置具有匹配于承重球的凹部，承重球在凹部内转动且能够可靠地驻留于凹部内，从而使得金属盒内的砝码产生的重力能够均匀地作用于歧管的底面。优选地，承重球的直径可以为两毫米。为了使得歧管与多孔薄膜之间具有良好的密封性，砝码的质量优选在600克至2400克，相对歧管的底面可产生相当于58.8至235.2千帕的压力。

多孔薄膜的渗透率检测系统还包含温度控制装置，温度控制装置位于待测多孔薄膜下方，在多孔薄膜的渗透率检测中提供合适的温度。具体地，温度控制装置包含加热板7，热电偶8和温度控制电路(图未示)。待测多孔薄膜放置在加热板上，热电偶8的一端贴附于多孔薄膜。温度控制电路接收热电偶8反馈的温度，控制加热板7进行加热，直到温度维持在合适的温度。

多孔薄膜的渗透率检测系统还包含电子称，用来测量金属盒内的砝码所产生的垂直密封力。加热板7放置在电子称9上。

在实际使用本实施方式的检测系统时，如图2所示，将注射泵2的出气口接入歧管1的进气口10，压力传感器3设置于注射泵2的出气口与歧管1的进气口10之间。将多孔薄膜5设置于歧管1的底面，歧管1顶部设置压力产生装置4。本实施方式中，待检测的多孔薄膜5设置于基底6上。多孔薄膜既可以为独立存在的待检测的多孔薄膜，也可以为生长或喷涂于基底上的多孔薄膜层。基底6的另一面设置加热板7，加热板7连接有热电偶8，加热板7设置于电子称9上。当金属盒内未放置砝码时，将电子称的读数归零，从而便于计算密封力的大小。

如图3所示示出了稳定气流压力与歧管上砝码重量由轻到重(301)以及砝码重量由重到轻(302)时的密封压力的关系曲线图，图中的实验条件是：20微米厚的多孔薄膜(多孔薄膜采用CIO，即copper inverse opal，铜逆蛋白石)，气流流速为0.47毫升每分钟，温度为47摄氏度。当给定一个重量的砝码时，压力传感器的读值先增加，并在注射泵的输出气流与CIO内的气流渗透速度相同时，压力传感器检测到稳定气流压力(Steady State FlowPressure)。当在歧管上施加足够大(相当于220kPa时)的密封力时，稳定气流压力值达到饱和，即注射泵出气口的气流流速等于歧管出气口的气流流速以及CIO内气流的渗透速率。这表明该密封力为实现良好密封的临界密封力，歧管与多孔薄膜接触表面之间以及中心槽与两边槽之间的泄露最小，系统的泄露被降到最小。

加热提高基底、薄膜和歧管的温度，歧管受热膨胀(丙烯酸材质的歧管受热膨胀)能够增加密封性。保持密封力为235千帕保证密封状态后，去除密封力的作用，然后改变温度发现稳定状态下流体压力随着温度增加而增加，并在44摄氏度时达到饱和。这说明44摄氏度是密封良好的临界值，在44摄氏度及以上，可以实现良好的密封性。

本实施方式相对于现有技术而言，通过注射泵调节气流速度的大小，从而可以控制多孔薄膜内气流渗透速度的大小，并且通过控制歧管和多孔薄膜之间的密封性等，使得系统的泄露最小，从而使得检测系统具有较高的精度。

值得一提的是，本实施方式中所涉及到的各模块均为逻辑模块，在实际应用中，一个逻辑单元可以是一个物理单元，也可以是一个物理单元的一部分，还可以以多个物理单元的组合实现。此外，为了突出本发明的创新部分，本实施方式中并没有将与解决本发明所提出的技术问题关系不太密切的单元引入，但这并不表明本实施方式中不存在其它的单元。

本发明第三实施方式涉及一种多孔薄膜的渗透率检测方法，采用如第二实施方式所述的多孔薄膜的渗透率检测系统进行检测。如图4所示，该方法包含以下步骤：

步骤401：将待测多孔薄膜放置在歧管下方，其中，歧管有中心槽和边槽的一面接触待测多孔薄膜。

在金属盒内放置适当质量的砝码，使得歧管与多孔薄膜之间受到大于235kPa的压力，从而使系统的泄露最小。

步骤402：采用注射泵提供气流。

本实施方式中的气流速度为0.47毫升每分。当注射泵提供的气流速度大于多孔薄膜内气流渗透速度时，压力传感器检测到的压力差会增加，而当注射泵提供的气流速度等于多孔薄膜内气流渗透速度时，压力传感器检测到的压力差达到稳定状态。

步骤403：待压力传感器测得的气流压力达到稳定状态时，读取压力传感器显示的压力差测量值。

步骤404:根据注射泵的流体流速和压力差测量值，采用达西定律计算待测多孔薄膜的渗透率。

达西定律如公式(2)所示：

其中，稳定状态下流体压力差dP和体积流量速率Q通过实验获得，粘度μ的计算需要考虑温度效应，可以通过萨瑟兰公式(Sutherland’s Formula)计算得到多孔薄膜加热到44摄氏度时空气的粘度。由于压力差dP仅相当于进气口或出气口之绝对压力的十分之一，所以忽略空气压缩率不予考虑。达西定律公式(2)中A是垂直于流体方向的横截面积。本实施方式中，A即是多孔薄膜的厚度与歧管的槽的长度的乘积。

本实施方式通过对三种不同的多孔薄膜样品进行检测，获取对应的实验数据：

第一种样品，具有规则矩形阵列通道(periodic array of rectangularchannels)的样品，该种样品的水平渗透率可以通过理论计算方法得到，其理论计算方法为已知技术，在此不再赘述。该种样品可以采用光刻蚀刻法制得，其显微镜下的结构示意图如图5a所示。经过测量得出：通道间隙宽度为300微米，通道深度为242微米，通道宽度为31微米。

第二种样品，具有规则圆柱形阵列通道(periodic cylindrical pillar array)，该种样品结构采用355纳米紫外激光在硅晶片上切出。其俯视图经由40倍光学显微镜放大后的结构示意图如图5b所示。经过图片分析可以得到，圆柱的直径约是300微米，相邻圆柱之间的距离约是22微米，圆柱的高度大约是30微米，圆柱之间的被激光切除的部分的表面粗糙度约是10微米。

第三种样品，采用铜逆蛋白石(copper inverse opal，简称CIO)。铜逆蛋白石是一种多孔薄膜材料，厚度大约是20微米，其制造方法为已知技术，在此不再赘述。

针对上述三种样品分别进行水平渗透率检测，每种样品分别检测得到3组结果。

第一种样品的水平渗透率的理论计算方法如下：

单个通道的水平渗透率计算公式如下：

其中h是矩形的短边，x是矩形的长边与短边之比，f(x)是一系列双曲线正切函数之和：

而通道组的水平渗透率计算公式如下：

其中，是通道的占空比。

针对第一种样品，理论和实验检测得到的水平渗透率如表1所示，其中，每个实验数据均采用多组数据的平均值。由此可见，通过本实施方式检测得到的水平渗透率与其理论值相一致，误差在±8％以内。一般渗透率的测量结果与理论值或者标准值处在同一个数量级即被认为是较为精确的结果，±8％的误差表明本实施方式的检测方法具有非常高的准确度。

表1

第一种样品	理论渗透率值	实验渗透率值
			矩形阵列通道	6.8781×10-12m2	7.9875×10-12m2±8％

本发明第四实施方式涉及一种多孔薄膜的渗透率检测方法。第四实施方式在第三实施方式的基础上做出进一步改进，主要改进之处在于：在第四实施方式中，在采用达西定律计算待测多孔薄膜的渗透率的步骤中，采用边缘因数对达西定律的计算公式进行修正。

由于在达西定律的计算公式中，A是垂直于流体方向的截面积，于本实施方式中，A具体指多孔薄膜厚度与歧管的中心槽的长度的乘积，所以，当多孔薄膜中的气流路径为沿中心槽与边槽的垂直方向时，本实施方式中以非边缘渗透表示该种渗透，则采用达西定律计算该种非边缘渗透类型的水平渗透率是较为精确的。

在具有规则矩形阵列通道的薄膜中主要存在非边缘渗透，原因在于相互平行的通道之间是相互隔离的。具体地，如图6所示为多孔薄膜的渗透率检测系统中流体渗透路径示意图，其中，气流从歧管1中心槽12渗透入多孔薄膜5，然后，如箭头方向所示，气流沿相互隔离的规则矩形阵列通道渗透至多孔薄膜的边缘，并从两边槽13经歧管渗透至空气中。图6中的水平箭头所代表的气流即为非边缘渗透气流，因此它的垂直于流体方向的截面积A等于薄膜厚度乘以歧管的中心槽的长度(即垂直于纸面方向的长度)，这与达西定律的前提条件相一致。

然而，一般情况下，由于薄膜的多孔结构可能是互连互通的，那么，这种互连互通就可能形成不同于图6中的水平箭头所示的非边缘渗透，即多孔薄膜中存在边缘渗透。具体地，如图7所示为采用仿真方法得到的流体渗透路径示意图，图7中箭头代表气流矢量，表示气流大小和方向。由图7可知，大部分气流直接从中心槽12向两边槽13渗透，并从两边槽13渗透至周围环境，而如图7中圆圈70所示区域，还有一小部分气流从中心槽12经多孔薄膜直接渗透至周围环境，该部分从中心槽渗入多孔薄膜且未经两边槽而直接从多孔薄膜渗透至周围环境的渗透即为边缘渗透。此外，如图8a所示，还有经过曲线路径从中心槽的顶部或者底部进入边槽的气流也是边缘渗透。曲线的渗透路径使得截面积A不等于第三实施方式中达西定律里面A的计算方式，而是需要积分得出，所以按照达西定律公式，将其中的A简单的等于薄膜厚度乘以中心槽的长度，这样计算得到的水平渗透率是不准确的，因此需要边缘因数这个修正因子来给出去掉边缘渗透后的真实的水平渗透率。

本实施方式中，通过引入边缘因数将边缘渗透作用也计入薄膜的水平渗透率计算中。即在水平渗透率计算公式(2)(见计算公式(6))中加入边缘因数f，从而对计算结果进行修正。

具体而言，边缘因数f可以通过以下方法快速得到：

制作2张不同尺寸规格的多孔薄膜，即第一多孔薄膜50与第二多孔薄膜51(如图8a、图8b所示)。两张多孔薄膜在相同的激光条件下制造得到，使得两张多孔薄膜的结构极为接近，并且两张多孔薄膜具有规则的圆柱形阵列通道。第一多孔薄膜50、第二多孔薄膜51与歧管1的设置方式分别如图8a、8b所示，其中，图8a中第一多孔薄膜50的四条边都大于歧管1与多孔薄膜的接触面的四条边，图8b中第二多孔薄膜51之平行于歧管1中心槽12或者边槽13的边的长度与中心槽12或者边槽13的长度相等，且第二多孔薄膜51的另一组对边的边长大于歧管1与第二多孔薄膜51的接触面所对应的边。较佳地，第一多孔薄膜50的四条边分别至少超出歧管1的接触面1毫米，第二多孔薄膜51平行于歧管1中心槽的边的长度与中心槽的长度相同，而第二多孔薄膜51的另一组对边至少超出歧管1的接触面1毫米。图8a、8b中箭头示出了气流渗透的方向，从而便于理解本实施方式中的非边缘渗透以及边缘渗透。

分别检测第一多孔薄膜和第二多孔薄膜的渗透率。

如表2所示，示出了第一多孔薄膜、第二多孔薄膜的尺寸以及检测得到的水平渗透率。

表2

样品编号	第一多孔薄膜	第二多孔薄膜
			圆柱状阵列数	51×44	45X19
尺寸(单位：毫米)	16.2×14	14×6.08
			水平渗透率(平方毫米)	2.1998e-011	1.3197e-011

将第二多孔薄膜的渗透率与第一多孔薄膜的渗透率的比值作为边缘因数。由表2可知，消除边缘渗透后，水平渗透率减小了40％。

因此，计算得到的边缘因数f为：

f＝0.6 (7)

综上所述，本实施方式通过快速得到的边缘因数对水平渗透率进行校正，可以有效提高检测的精度。

从显微图像可以知道，切割出的多孔薄膜的表面十分粗糙，使得圆柱形阵列通道中圆柱的高度难以确定，从而影响截面积A、以及渗透率的准确性，进而影响边缘因数的估计准确性，最终影响水平渗透率的校正。本实施方式提出一种更精确的方法，采用实验中的线性因子来表征边缘因数，不需要知道多孔薄膜的渗透率，也就不需要知道圆柱形阵列通道的高度。其中，线性因子为稳定状态下压力差测量值与体积流量速率的比值。

因此，本实施方式还提供了一种精确得到边缘因数的方法：

制作2张不同尺寸规格的多孔薄膜，即第一多孔薄膜50与第二多孔薄膜51。第一、第二多孔薄膜的尺寸规格以及制造方法与前述快速检测边缘因数中采用的多孔薄膜相同即可，在此不再赘述。

分别检测第一多孔薄膜和第二多孔薄膜在以下两种状态下的线性因子：

第一状态：采用中心槽作为进气槽，2个边槽作为出气槽；如图8a、图8b所示；

第二状态：采用2个边槽中的一个作为进气槽，另一个边槽和中心槽通过接触非多孔材料(如多孔薄膜的基底材料)实现密封，流体通过多孔薄膜释放到周围环境中。如图8c、图8d所示。其中多孔薄膜51在图8d中与歧管的相对位置，相比其在图8b中与歧管的相对位置旋转了90度。

将第二薄膜在第二状态的线性因子与第一薄膜在第二状态的线性因子的比值乘以第一薄膜在第一状态的线性因子与第二薄膜在第一状态的线性因子的比值，得到边缘因数。

将第一多孔薄膜的两个边槽中的一个作为进气槽，另一个边槽和中心槽通过接触非多孔材料(如多孔薄膜的基底材料)进行密封，流体通过多孔薄膜释放到周围环境中，其中，气流渗透路径如图8c中箭头所示。同样，将第二多孔薄膜的2个边槽中的一个作为进气槽，另一个边槽和中心槽通过接触非多孔材料(如多孔薄膜的基底材料)进行密封，流体通过第二多孔薄膜释放到周围环境中，其中，气流渗透路径如图8d中箭头所示。其中，将与图8a、8b、8c、8d分别对应的实验条件分别记作A1、A2、A3、A4，从而对应记录实验数据。

其中，第一多孔薄膜在第一状态下的线性因子由下式表示：

其中L是歧管的槽的长度，t₁是多孔薄膜50的厚度，Lt₁是垂直于气流的截面积。

第二多孔薄膜在第一状态下的线性因子由下式表示：

其中L是歧管的槽的长度，t₂是多孔薄膜51的厚度，Lt₂是垂直于气流的截面积。

第一多孔薄膜在第二状态下的线性因子由下式表示：

其中L′是该状态下等效的歧管槽长度，不是真实的歧管槽长度，也非物理测量可得。

第二多孔薄膜在第二状态下的线性因子由下式表示：

式(8)比式(9)，式(10)比式(11)得到式(12)

进而，边缘因数可由式(13)得到：

通过实验可以得到线性因子dP/Q，如表3所示，示出了各条件下的线性因子。

表3

f＝0.7 (14)

综上所述，可以得到较为精确的边缘因数，从而获取较为更为精确的水平渗透率。

进一步的，我们采用二维有限元模拟边缘渗透，对边缘渗透进行量化，优选地，可以采用Fipy 3.1模拟软件包，网络地址：www.ctcms.nist.gov/fipy。该种拟合能够假定不可压缩的、蠕动的微流，因此，可以采用具有合理边界限定条件的拉普拉斯等式进行计算。计算机模拟四分之一歧管的接触面，并利用几何正交，歧管进气口和出气口处的压力均匀。因此，流体在一个固定压力差下的有无边缘渗透成为唯一的关注点。将出气口的压力与大气压力相同时得到的模拟流，与歧管进气口与出气口之间的流体流相比，得到边缘因数：

f＝0.72 (15)

由此可知，通过线性拟合得到的边缘因数f与实验得到的边缘因数十分接近。

值得一提的是，线性因子还可以通过线性拟合得到。即，线性因子可以在多组实验数据(即稳定状态下流体压力与体积流量速率数据)的基础上，通过线性拟合得到。

上面各种方法的步骤划分，只是为了描述清楚，实现时可以合并为一个步骤或者对某些步骤进行拆分，分解为多个步骤，只要包含相同的逻辑关系，都在本专利的保护范围内；对算法中或者流程中添加无关紧要的修改或者引入无关紧要的设计，但不改变其算法和流程的核心设计都在该专利的保护范围内。

本领域的普通技术人员可以理解，上述各实施方式是实现本发明的具体实施例，而在实际应用中，可以在形式上和细节上对其作各种改变，而不偏离本发明的精神和范围。

Claims (9)

1.一种多孔薄膜的渗透率检测系统，其特征在于，包含歧管，注射泵，压力传感器；

所述歧管用于在多孔薄膜的渗透率检测中引导流体通过多孔薄膜；

所述歧管包含一个进气口，一个出气口，一个中心槽和两个边槽；其中，所述进气口连通所述中心槽，所述边槽连通所述出气口；

所述进气口与所述出气口位于所述歧管相对的两个面，所述中心槽和所述边槽位于不同于所述进气口与所述出气口所在面的第三面，且两个边槽与所述中心槽平行设置，并分布在所述中心槽两侧；

所述压力传感器连接在所述注射泵和所述进气口之间；

其中，所述注射泵用于在多孔薄膜的渗透率检测中提供可调节流速的流体；

所述压力传感器用于在多孔薄膜的渗透率检测中检测所述进气口与所述出气口之间的压力差。

2.根据权利要求1所述的多孔薄膜的渗透率检测系统，其特征在于，所述多孔薄膜的渗透率检测系统还包含用于密封的压力产生装置；

所述压力产生装置位于所述歧管的正上方，其产生的密封力作用于所述歧管上一平面，该平面与所述中心槽和所述边槽所处平面相对。

3.根据权利要求2所述的多孔薄膜的渗透率检测系统，其特征在于，所述压力产生装置包含一金属盒，一金属臂和一承重球；

所述金属臂的一端安装所述承重球，另一端安装所述金属盒；

当所述压力产生装置在多孔薄膜的渗透率检测中提供密封力时，所述金属盒内放置可调节重量的砝码，所述承重球抵持于所述歧管；

所述金属盒的水平边缘设有水平仪，通过所述水平仪调整所述金属盒使其保持水平，并使密封力保持垂直。

4.根据权利要求1所述的多孔薄膜的渗透率检测系统，其特征在于，所述多孔薄膜的渗透率检测系统还包含温度控制装置；

所述温度控制装置位于待测多孔薄膜下方，在多孔薄膜的渗透率检测中提供合适的温度，用于帮助多孔薄膜与歧管的所述中心槽和所述边槽所处平面能够更好的密封。

5.根据权利要求4所述的多孔薄膜的渗透率检测系统，其特征在于，所述温度控制装置包含加热板，热电偶和温度控制电路；

所述待测多孔薄膜放置在所述加热板上，所述热电偶贴附于所述多孔薄膜；

所述温度控制电路接收所述热电偶反馈的温度，控制所述加热板进行加热，直到温度维持在合适的温度。

6.一种多孔薄膜的渗透率检测方法，其特征在于，采用如权利要求1至5中的任意一项所述的多孔薄膜的渗透率检测系统进行检测；

所述多孔薄膜的渗透率检测方法包含以下步骤：

将待测多孔薄膜放置在所述歧管下方，其中，所述歧管有中心槽和边槽的一面接触所述待测多孔薄膜；

采用所述注射泵提供一定流速的流体流；

待所述压力传感器测得的流体压力达到稳定状态时，读取压力传感器显示的压力差测量值；

根据注射泵的流体流速和压力差测量值，采用达西定律计算所述待测多孔薄膜的渗透率。

7.根据权利要求6所述的多孔薄膜的渗透率检测方法，其特征在于，在所述采用达西定律计算所述待测多孔薄膜的渗透率的步骤中，采用边缘因数对达西定律的计算公式进行修正。

8.根据权利要求7所述的多孔薄膜的渗透率检测方法，其特征在于所述边缘因数通过以下方法快速得到：

制作2张不同尺寸规格的多孔薄膜；其中，第一多孔薄膜的四条边都大于歧管与多孔薄膜的接触面的四条边，第二多孔薄膜之平行于歧管中心槽或者边槽的边的长度与中心槽或者边槽的长度相等且第二多孔薄膜的另一组对边的边长大于所述歧管与所述第二多孔薄膜的接触面所对应的边；

分别检测所述第一多孔薄膜和所述第二多孔薄膜的渗透率；

将所述第二多孔薄膜的渗透率与所述第一多孔薄膜的渗透率的比值作为所述边缘因数。

9.根据权利要求7所述的多孔薄膜的渗透率检测方法，其特征在于，所述边缘因数通过以下方法精确得到：

制作2张不同尺寸规格的多孔薄膜；其中，第一多孔薄膜的四条边都大于歧管与多孔薄膜的接触面的四条边，第二多孔薄膜之平行于中心槽或者边槽的对边的长度与中心槽或者边槽的长度相等且第二多孔薄膜的另一组对边的边长大于所述歧管与所述第二多孔薄膜的接触面所对应的边；

分别检测所述第一多孔薄膜和所述第二多孔薄膜在以下两种状态下的线性因子：

第一状态：采用中心槽作为进气槽，2个边槽作为出气槽；

第二状态：采用2个边槽中的一个作为进气槽，另一个边槽和中心槽通过接触非多孔材料实现密封，流体通过多孔薄膜释放到周围环境中；

其中，线性因子为稳定状态下压力差测量值与体积流量速率的比值；将第二薄膜在第二状态的线性因子与第一薄膜在第二状态的线性因子的比值乘以第一薄膜在第一状态的线性因子与第二薄膜在第一状态的线性因子的比值，得到所述边缘因数。