CN113004558A - 表面剪切应力敏感膜及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种表面剪切应力敏感膜及其制备方法，涉及表面剪切应力研究领域，包括，在衬底上开设一个凹腔；将聚二甲基硅氧烷和固化剂在‑30℃至20℃温度下低温处理，按照配比进行称重，将两者混合，搅拌均匀后放入真空脱泡筒内进行真空处理，处理完毕后将混合物分成两份；其中一份混合物倒入衬底凹腔中得到混合液；将标记粒子加入到另一份混合物或者酒精中，待混合完毕后均匀喷洒在混合液表面；将衬底转移至升温室内进行升温处理，待混合液固化后得到表面剪切应力敏感膜。通过调整聚二甲基硅氧烷和固化剂的配比调整膜的剪切模量，再通过凹腔深度控制膜的厚度，从而得到不同灵敏度和测量范围的表面剪切应力敏感膜，满足不同风洞实验的需求。
Description
技术领域
本发明涉及表面剪切应力/摩阻测量研究领域，尤其涉及一种表面剪切应力敏感膜及其制备方法。
背景技术
摩阻/表面剪切应力的测量是实验流体力学中的一个经典问题，也是一个难点问题。为测量流场中模型表面的剪切应力/摩阻及其波动的二维分布，前苏联中央空气流体力学研究院(TsAGI)最早于1990年开发出一种剪切模量已知、厚度可设计的表面剪切应力敏感膜(S3F)，专利号为SU1822252A1。美国创新科学公司(ISSI)于2004年也开发了一种对表面应力敏感的弹性膜，在美国、日本、欧盟等国家申请了专利，专利号为US7127950B2，并和NASA格林研究中心、美国空军实验室、德国空军军事系统实验室等开展了广泛的应用研究。国内大连理工大学最早开展仿制美国ISSI表面剪切应力敏感膜工作，其2017年发表的“利用弹性膜测量流场边界摩擦应力”、“利用弹性膜测量明渠流底摩擦应力”公布了该膜的制备方法，制备步骤主要包括称重配比，搅拌，真空抽气，倒入模具，加热成型，喷涂人工散斑。但利用该方法制备的表面剪切应力敏感膜的实验测量结果与激光多普勒测速所得结果相比，误差较大，3种工况下明渠流底摩擦应力测量误差分别为18.4％、15.2％和6.47％。本发明与前述表面剪切应力敏感膜的制备方法有很大不同，可得到灵敏度更高、空间分辨率更高的表面剪切应力敏感膜，为风洞试验提供一种更可靠、更精确的摩阻测量手段。
发明内容
针对上述技术中存在的不足之处，本申请公开了一种表面剪切应力敏感膜及其制备方法，从而得到表面剪切应力敏感膜进行风洞实验的研究。
为实现上述目的，本发明提供一种表面剪切应力敏感膜的制备方法，包括以下步骤：
S1:对衬底进行加工，在衬底上开设一个凹腔，对凹腔的长度、宽度和深度进行测量，得到凹腔的体积；
S2:将聚二甲基硅氧烷和固化剂在-30℃至20℃温度下进行低温处理，然后按照配比进行称重，且将温度控制在20℃以下；
S3:将所需配比的聚二甲基硅氧烷和固化剂进行混合，搅拌均匀后放入真空脱泡筒内进行真空处理，处理完毕后将混合物分成两份，
S4:将衬底水平放置在天平上，将其中一份混合物倒入衬底的凹腔中，得到混合液；
S5:在另一份混合物中加入标记粒子，待混合完毕后均匀喷洒在混合液表面；
S6:将衬底转移至升温室内进行升温处理，待混合液固化后得到表面剪切应力敏感膜。
作为优选，在步骤S1中，衬底采用刚性材料或半柔性材料制成。
作为优选，在步骤S2中，固化剂采用二乙胺基丙胺、三甲基已二胺、二氨甲基环已基甲烷中的一种。
作为优选，在步骤S3中，聚二甲基硅氧烷和固化剂的质量比采用30:1-60:1的比例进行混合。
作为优选，在步骤S3中，进行真空处理时，温度控制在20℃以下。
作为优选，在步骤S4中，将混合物倒入衬底的凹腔中时，实时称量倒入混合物的重量，当重量达到设定质量时，停止向凹腔中倒入混合物，此时混合物正好与凹腔的上部相平齐。
作为优选，向另一部分混合物加加入一定量的标记粒子，标记粒子的密度不大于聚二甲基硅氧烷的密度，粒径为5μm-20μm；混合均匀后，用喷枪均匀喷洒至混合液表面，喷枪的压力为0.3MPa-1MPa。
作为优选，在步骤S6中，将衬底处于水平状态，升温室将温度上调至25℃以上并保持24-48小时，使得混合液进行固化。
作为优选，还存在替换步骤，在步骤S5中，将另一部分混合液采用酒精替换，待标记粒子与酒精混合均匀后，采用喷枪喷洒至混合液表面
本发明还公开了一种表面剪切应力敏感膜，其特征在于，采用上文所述的制备方法制备得到。
本发明的有益效果是：与现有技术相比，本发明提供的表面剪切应力敏感膜的制备方法以及得到的敏感膜具有以下优点：
1)按上述方法步骤制备得到的表面剪切应力敏感膜为不可压缩的、均匀的、透明/半透明的弹性体，标记粒子全部随机分布在膜的上表面，标记粒子空间分布密度≥9粒/mm2；
2)上述方法步骤可制备得到的表面剪切应力敏感膜的剪切模量范围50Pa-10000Pa，可应用于低速、低跨超、高超声速(Ma≤6)流速下的表面剪切应力/摩阻的二维分布测量。
附图说明
图1为本发明的步骤流程图；
图2为本发明的表面剪切应力敏感膜概念图；
图3为本发明的S3F粒子位移矢量图；
图4为本发明的平均表面剪切应力τ和剪切应变γ的关系图。
具体实施方式
为了更清楚地表述本发明，下面结合附图对本发明作进一步地描述。
请参阅图1和图2，本发明提供一种表面剪切应力敏感膜的制备方法，包括以下步骤：S1:对衬底进行加工，在衬底上开设一个凹腔，对凹腔的长度、宽度和深度进行测量，得到凹腔的体积；S2:将聚二甲基硅氧烷和固化剂在-30℃至20℃温度下进行低温处理，然后按照配比进行称重，且将温度控制在20℃以下；S3:将所需配比的聚二甲基硅氧烷和固化剂进行混合，搅拌均匀后放入真空脱泡筒内，然后进行真空处理，处理完毕后将混合物分成两份；S4:将衬底水平放置在天平上，将其中一份混合物倒入衬底的凹腔中，得到混合液；S5:在另一份混合物中加入标记粒子，待混合完毕后均匀喷洒在混合液表面；S6:将衬底转移至升温室内进行升温处理，待混合液固化后得到表面剪切应力敏感膜。在本实施例中，使用的聚二甲基硅氧烷可以市购得到，选用密度约为1.03g/mm3进行后续操作；衬底采用木制品，在进行凹腔的开设时，记录下凹腔的长度、宽度以及深度，从而计算得到凹腔的体积V，从而当混合液加入至凹腔内时，能通过相关计算得到混合液的质量，从而使得最后得到的表面剪切应力敏感膜符合需求。更为具体的是，衬底可根据风洞测量实验需求采用刚性材料或半柔性材料，凹腔的深度根据测量灵敏度和测量范围定制，凹腔的长度和宽度根据测量区域大小可进行定制，从而满足不同的使用需求。
在步骤S2中，固化剂采用二乙胺基丙胺、三甲已二胺、二氨甲基环已基甲烷中的一种，聚二甲基硅氧烷(PDMS)和固化剂的质量比采用30:1-60:1的比例进行混合；进行真空处理时，温度控制在20℃以下。在本实施例中，PDMS和固化剂按重量配比，所需表面剪切应力敏感膜的剪切模量越大，两者配比越小；剪切模量越小，两者配比越大；采用上述固化剂，是由于上述固化剂的密度均在0.9左右，与聚二甲基硅氧烷(PDMS)很接近，因此当固化剂添加至聚二甲硅氧烷中时，由于固化剂的量远比PDMS少，因此两者混合液的密度按照聚二甲基硅氧烷的密度即1.03g/mm3进行计算；此外，上述固化剂的固化温度均高于20℃，这样在使用过程中，不会使得固化剂与PDMS在混合过程前或者未混合均匀前就进行了固化，从而影响最终产物；还特别要说明的是，二乙胺基丙胺固化后的抗压强度为920-1050kg/cm2，冲击强度为480-640kg/cm2；三甲基已二胺的抗弯强度为1150kg/cm2；二氨甲基环已基甲烷的抗弯强度为1070kg/cm2；从而使得当混合物固化后在进行风洞实验时，不会由于固化剂的影响使得敏感膜出现破裂；且这三种固化剂的固化温度都不超过100℃，在使用过程中，不需要采用高温炉等设备进行高温固化，从而降低了生产难度与生产成本。
将混合物倒入衬底的凹腔中时，实时称量倒入混合物的重量，当重量达到设定质量时，停止向凹腔中倒入混合物。向另一部分混合物加入一定量的标记粒子，标记粒子的密度不大于聚二甲基硅氧烷的密度，粒径为5μm-20μm；混合均匀后，用喷枪均匀喷洒至混合液表面，喷枪的压力为0.3MPa-1MPa。在实际操作过程中，将衬底放置在天平上，然后不断向凹腔内倒入混合物，当天平上增加的质量为1.03V时,停止倒入，此时会刚好与凹腔的上表面平齐，通过这一步，能够有效确定敏感膜的厚度，减去后续过程中繁琐的厚度测量过程，更加方便；同时会存在混合物的剩余，向该混合物中加入标记粒子；标记粒子自身密度≤1.03g/mm3，粒子粒径5μm-20μm，混合均匀后，用喷枪均匀喷洒在混合液表面，喷枪压力根据需要在0.3MPa-1MPa范围适当调节，使得标记粒子位于混合液的表面；也可以采用酒精与标记粒子进行混合，然后利用喷枪喷附在混合液的表面，当加热后酒精进行挥发，而标记粒子会固定在混合液的表面，使用原混合液或者酒精作为标记粒子的溶剂，是为了防止其他的溶剂对原混合液造成影响，从而使得最终制取的敏感膜出现上下分层式，从而无法得出敏感膜的具体参数信息，而采用酒精则是利用酒精最终会挥发，从而不会造成影响。
在步骤S6中，升温室将温度上调至25℃以上并保持24-48小时，将衬底处于水平状态，使得混合液进行固化。在本实施例中，将衬底保持水平状态，从而防止在固化过程中混合液发生移位，从而导致所获得的敏感膜不符合使用需求。
本发明还公开了一种表面剪切应力敏感膜，采用上文所述的制备方法制备得到。
实施例一：
聚二甲基硅氧烷(PDMS)和二乙胺基丙胺按照质量比为30：1的比例进行混合；进行真空处理后倒入至衬底的凹腔内，凹腔的尺寸为100mm×70mm×2mm；表面添加标记粒子后采用60℃进行烘干，最后得到表面剪切应力敏感膜。
实施例二：
聚二甲基硅氧烷(PDMS)和二乙胺基丙胺按照质量比为40：1的比例进行混合；进行真空处理后倒入至衬底的凹腔内，凹腔的尺寸为100mm×70mm×2mm；表面添加标记粒子后采用60℃进行烘干，最后得到表面剪切应力敏感膜。
实施例三：
聚二甲基硅氧烷(PDMS)和三甲基已二胺按照质量比为50：1的比例进行混合；进行真空处理后倒入至衬底的凹腔内，凹腔的尺寸为100mm×70mm×2mm；表面添加标记粒子后采用60℃进行烘干，最后得到表面剪切应力敏感膜。
实施例四
聚二甲基硅氧烷(PDMS)和二氨甲基环已基甲烷按照质量比为60：1的比例进行混合；进行真空处理后倒入至衬底的凹腔内，凹腔的尺寸为100mm×70mm×2mm；表面添加标记粒子后采用60℃进行烘干，最后得到表面剪切应力敏感膜。
将制备得到的表面剪切应力敏感膜进行以下测试：
基于表面剪切应力敏感膜(S3F)这种对剪切应力的敏感特性，表面剪切应力τi可由下式得到
τi＝G·γ＝G·arctan(Dxi/h)
其中，G、h和Dxi分别为S3F的剪切模量、厚度和表面标记粒子在τi作用下的剪切位移大小(其中xi表示相关的粒子)。因此，在剪切模量G和厚度h已知时，基于S3F的表面剪切应力分布τi的测量就转变成了对标记粒子位移分布Dxi的测量；用互相关算法对所获图像进行处理，计算得到标记粒子位移的大小和方向(如图3所示)；
表面剪切应力敏感膜(S3F)是一种透明或半透明的、均匀的、不可压缩的弹性膜，表面嵌入随机分布的标记粒子，将以上多个实施例所制取的表面剪切应力敏感膜的相关剪切模量G和厚度h事先精确测定；表面剪切应力τi作用在膜表面时，膜表面标记粒子发生相应位移Dxi(Dxi≤2％·h)，表面剪切应力消失时，标记粒子回到原位，在一定的区域内，平均表面剪切应力τ和剪切应变γ表现为线性关系(如图4所示)，得到τ＝609.5368γ-0.1782，且该线性回归方程的相关系数为R2＝0.9989，表示该线性回归方程的拟合程度较高，所得到的表面剪切应力敏感膜符合要求。
以上公开的仅为本发明的几个具体实施例，但是本发明并非局限于此，任何本领域的技术人员能思之的变化都应落入本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种表面剪切应力敏感膜的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1:对衬底进行加工，在衬底上开设一个凹腔，对凹腔的长度、宽度和深度进行测量，得到凹腔的体积；
S2:将聚二甲基硅氧烷和固化剂在-30℃至20℃温度下进行低温处理，然后按照配比进行称重，且将温度控制在20℃以下；
S3:将所需配比的聚二甲基硅氧烷和固化剂进行混合，搅拌均匀后放入真空脱泡筒内进行真空处理，处理完毕后将混合物分成两份；
S4:将衬底水平放置在天平上，将其中一份混合物倒入衬底的凹腔中，得到混合液；
S5:在另一份混合物中加入标记粒子，待混合完毕后均匀喷洒在混合液表面；
S6:将衬底转移至升温室内进行升温处理，将衬底处于水平状态，待混合液固化后得到表面剪切应力敏感膜。
2.根据权利要求1所述的表面剪切应力敏感膜的制备方法，其特征在于，在步骤S1中，衬底采用刚性材料或半柔性材料制成。
3.根据权利要求1所述的表面剪切应力敏感膜的制备方法，其特征在于，在步骤S2中，固化剂采用二乙胺基丙胺、三甲基已二胺、二氨甲基环已基甲烷中的一种。
4.根据权利要求1所述的表面剪切应力敏感膜的制备方法，其特征在于，在步骤S3中，聚二甲基硅氧烷和固化剂的质量比采用30:1-60:1的比例进行混合。
5.根据权利要求1所述的表面剪切应力敏感膜的制备方法，其特征在于，在步骤S3中，进行真空处理时，温度控制在20℃以下。
6.根据权利要求1所述的表面剪切应力敏感膜的制备方法，其特征在于，在步骤S4中，将混合物倒入衬底的凹腔中时，实时称量倒入混合物的重量，当重量达到设定质量时，停止向凹腔中倒入混合物，此时混合物正好与凹腔的上部相平齐。
7.根据权利要求1所述的表面剪切应力敏感膜的制备方法，其特征在于，向另一部分混合物加入一定量的标记粒子，标记粒子的密度不大于聚二甲基硅氧烷的密度，粒径为5μm-20μm；混合均匀后，用喷枪均匀喷洒至混合液表面，喷枪的压力为0.3MPa-1MPa。
8.根据权利要求1所述的表面剪切应力敏感膜的制备方法，其特征在于，在步骤S6中，升温室将温度上调至25℃以上并保持24-48小时，使得混合液进行固化。
9.根据权利要求1所述的表面剪切应力敏感膜的制备方法，其特征在于，还存在替换步骤，在步骤S5中，将另一部分混合液采用酒精替换，待标记粒子与酒精混合均匀后，采用喷枪喷洒至混合液表面。
10.一种表面剪切应力敏感膜，其特征在于，采用权利要求1-9任一条所述的制备方法制备得到。
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