CN113376060A - 一种测量组合变形下液滴动/静态性能的试验装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种测量组合变形下液滴动/静态性能的试验装置，包括：垂直交叉固定在实验基座中的实验平台上的主拉伸机构和副拉伸机构，试件夹持在主拉伸机构和/或副拉伸机构中的试件夹具固定板和试件夹具底板之间，液滴位于试件上表面；旋转主拉伸机构和/或副拉伸机构上的拉伸手轮对试件施加单轴拉伸/压缩或双轴拉伸/压缩作用力，旋转主拉伸机构和/或副拉伸机构上的拉伸手轮和/或弯曲结构调节手轮对试件施加单轴/球面弯曲与单轴/双轴拉伸和单轴/球面弯曲的组合作用力，试件在这些作用力下发生相应的变形；单轴弯曲时，弯曲结构调节手轮驱动主拉伸机构上的管体顶起试件；球面弯曲时，弯曲结构调节手轮驱动主拉伸机构上的球体顶起试件。

Description

一种测量组合变形下液滴动/静态性能的试验装置

技术领域

本发明涉及仿生功能化表面设计与制备技术领域，具体涉及一种测量组合变形下液滴动/静态性能的试验装置。

背景技术

液滴在粗糙表面的动/静态性能与其浸润状态(最具代表性的有Cassie状态和Wenzel状态两种)紧密相关。当液滴在该表面处于Cassie状态时(类似于将液滴置于荷叶表面)，液滴表现出大接触角、低黏附和低耗散等性能，很容易从表面弹跳、滚动和脱落，此时该表面可应用于减阻、自清洁、抗结雾、抗结冰和微流控等领域。然而当液滴处于Wenzel状态时(类似于将液滴置于玫瑰花瓣表面)，液滴表现出很高的黏附性，很难从表面弹跳、脱落甚至移动。因此，通过调节液滴在粗糙表面的浸润状态可以调节液滴的相关性能(包括浸润状态、黏附力和弹跳性能等)。

众所周知，液滴在微结构表面的浸润状态只取决于其材料的化学性质和物理形貌两个因素。对于一些医学、微流控等需要无损、无污染、精确控制和转运的应用领域，通过化学的方法进行操作存在很大的难度，而通过控制粗糙表面微结构的变形进而调控液滴的浸润状态的方法却相对简单有效。目前对于如何通过微结构变形来控制液滴的浸润状态，以及如何直观地反映其性能尚缺乏系统的研究，尤其缺乏相应的实验装置。因此，设计一种测量组合变形下液滴动/静态性能的试验装置成为亟待解决的问题，且兼具很高的科研意义与应用价值。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种测量组合变形下液滴动/静态性能的试验装置，能够测量任意粗糙表面在拉伸、压缩、弯曲及其任意组合力作用下液滴的动/静态性能。

本发明的技术方案为：一种测量组合变形下液滴动/静态性能的试验装置，包括：主拉伸机构和副拉伸机构；所述主拉伸机构和副拉伸机构垂直交叉固定在实验基座中的实验平台上，试件夹持在主拉伸机构和/或副拉伸机构中的试件夹具固定板和试件夹具底板之间，液滴位于试件上表面；旋转主拉伸机构和/或副拉伸机构上的拉伸手轮对试件施加单轴拉伸/压缩或双轴拉伸/压缩作用力，旋转主拉伸机构和/或副拉伸机构上的拉伸手轮和/或弯曲结构调节手轮对试件施加单轴/球面弯曲与单轴/双轴拉伸和单轴/球面弯曲的组合作用力，试件在这些作用力下发生相应的变形，液滴能够进行动/静态性能试验；其中，实验平台与实验基座所在的水平面平行；对试件施加单轴弯曲时，弯曲结构调节手轮驱动主拉伸机构上放置的管体顶起试件；对试件施加球面弯曲时，弯曲结构调节手轮驱动主拉伸机构上放置的球体顶起试件。

优选地，所述管体采用钢管，所述球体采用钢珠。

优选地，所述试件为粗糙面板，且所述粗糙面板由基底及阵列分布在基底上的微结构组成。

优选地，所述粗糙面板的微结构的形式为圆柱或方柱或圆锥或圆台形结构。

优选地，所述粗糙面板的基底厚度为毫米级别，其上的微结构的特征尺寸为10um级别。

优选地，所述实验基座还包括：平台底座、平台固定板、平台旋转轴、平台复位扭簧和扭簧限位螺钉；

所述平台底座采用U字型板，其由两个对侧设置的侧板和连接在两个侧板之间的矩形支撑板组成；实验平台的两相对端通过平台固定板和平台旋转轴与平台底座的两侧板转动连接，试件安装在实验平台上；其中，平台固定板为L型板，每个平台固定板的竖直段通过平台旋转轴转动连接在平台底座对应侧的侧板上，水平段与实验平台固定连接；一侧的平台固定板与其同一侧平台底座侧板上的扭簧限位螺钉之间通过平台复位扭簧连接，且平台复位扭簧的中部缠绕在该侧的平台旋转轴上；另一侧的平台固定板通过固定螺钉紧固在任意预设的试验位置处，松开固定螺钉，驱动平台固定板绕平台旋转轴转动，从而带动实验平台绕平台旋转轴转动，并压缩平台复位扭簧，当实验平台转动到预设位置处，固定螺钉将平台固定板锁定，进而将实验平台锁定在该位置处；

实验结束后松开固定螺钉，实验平台在平台复位扭簧的作用下恢复到水平状态。

优选地，所述主拉伸机构还包括：主拉伸固定座、滑动轴承、主拉伸夹具安装座、弯曲机构顶板、弯曲结构导轨、主拉伸夹具导轨、主拉伸正反丝杆和弯曲机构基座；

令平台底座的矩形支撑板的长度方向为X轴所在方向，宽度方向为Y轴所在方向，则与X轴和Y轴均垂直的方向为Z轴所在方向；两个所述主拉伸固定座沿X轴固定在实验平台的上表面两端，主拉伸正反丝杆的两端分别通过滑动轴承支撑在对应侧的主拉伸固定座上，且一侧主拉伸固定座上设有拉伸手轮，其与主拉伸正反丝杆的一端连接，能够驱动主拉伸正反丝杆转动；

所述主拉伸正反丝杆沿Y轴的两侧分别平行设有主拉伸夹具导轨，每个主拉伸夹具导轨的两端分别固定在对应侧的主拉伸固定座上，主拉伸正反丝杆及其两侧的主拉伸夹具导轨形成的整体的中部设有弯曲机构基座、两端设有主拉伸夹具安装座，且主拉伸夹具安装座的下端和弯曲机构基座均与主拉伸正反丝杆丝杠螺母副配合、与两个主拉伸夹具导轨滑动配合；

两个所述主拉伸夹具安装座相对的侧面上分别设有主拉伸夹具，每个主拉伸夹具包括：试件夹具基座和试件夹具台钳；所述试件夹具基座固定在主拉伸夹具安装座的上端，两个试件夹具基座相对的侧面上分别固定有试件夹具底板；试件夹具台钳的中部螺纹连接在试件夹具基座侧面的螺纹通孔中，一端作为把手，另一端固定有试件夹具固定板；试件的两端夹持在两端的试件夹具底板和试件夹具固定板之间，试件夹具台钳沿Z轴方向上下移动，能够调节试件夹具固定板与试件夹具底板之间的距离；主拉伸正反丝杆转动时，两个主拉伸夹具安装座将沿两个主拉伸夹具导轨滑动，主拉伸夹具安装座上的主拉伸夹具随之沿X轴相向或相背滑动，实现对试件的压缩或拉伸；同时，弯曲机构基座在两个主拉伸夹具导轨上的位置可调；

所述弯曲机构顶板的两端固定在两根相互平行的弯曲结构导轨的一端，两根弯曲结构导轨的另一端插装在弯曲机构基座两端设置的通孔中，弯曲机构调节手轮螺纹连接在弯曲机构基座中部设置的螺纹通孔中，弯曲机构调节手轮一端固定在弯曲机构顶板底部的沉孔中，另一端作为手柄，转动弯曲机构调节手轮，则弯曲结构导轨在弯曲机构基座两端的通孔中上下滑动，带动弯曲机构顶板相对弯曲机构基座上下移动。

优选地，每个所述主拉伸夹具还包括：试件夹具头，其拆卸安装在试件夹具固定板的下端。

优选地，所述实验基座还包括：平台旋转刻度板；

所述平台旋转刻度板固定在平台固定板内侧，当平台固定板转动设定角度时，试件上的液滴会发生滑动或者滚动；此时拧紧固定螺钉，并记录平台旋转刻度板转过的角度，该角度为试件受拉伸、压缩、弯曲及该三种作用力的任意组合力作用条件下液滴在试件上的滑动或滚动角。

优选地，所述实验基座还包括：机构调平地脚螺栓；所述平台底座的矩形支撑板作为基底，其底部四角通过机构调平地脚螺栓支撑在地面或基准面上。

有益效果：

1、本发明提供的测量组合变形下液滴动/静态性能的试验装置，通过控制主拉伸机构和副拉伸机构，能够对试件施加单轴(或者双轴)拉伸、压缩和单轴/球面弯曲等几种形式的作用力，也可以同时施加以上几种作用力中的任意两种或者三种的组合，进一步获得这些组合作用力下液滴在试件上的浸润状态、弹跳性能等动/静态试验数据。

2、本发明通过将管体设定为匹配的钢管、将球体设定为匹配的钢珠，有效保证其顶起试件的结构强度，从而进一步便于进行液滴动/静态性能的试验操作，理论上可实现曲率半径在0.1mm～50mm之间的任意弯曲变形，精度为±0.01mm。

3、本发明对粗糙面板的微结构的具体设置，能够有效保证液滴在粗糙面板上进行动/静态性能的试验操作。

4、本发明中对实验基座的具体设置，可以精确调节实验平台及其上的试件与水平面之间的夹角，进而测定液滴在粗糙面板处于不同变形条件下的滚动或滑动角(液滴上部接触线先移动为滚动角，液滴下部接触线先移动为滑动角)，以确定该变形条件下粗糙表面对液滴的切向黏附性能。

5、本发明中的实验平台可在±0～90°范围内旋转，能够满足所有滚动角(或者滑动角)的测量，精度±0.1°。

6、本发明中对主拉伸机构和副拉伸机构(除了未设置弯曲机构顶板、弯曲结构导轨、弯曲机构调节手轮和弯曲机构基座以外，其余结构与主拉伸机构一致)的具体设置，能够对试件(粗糙面板)施加单轴拉伸或压缩、双轴拉伸或压缩、单轴或球面弯曲以及这些作用力的任意组合的作用力，且能够控制单轴拉伸/压缩或者双轴拉伸/压缩变形范围在±70mm之间，可满足±350％的形变率内粗糙面板的任意拉压变形，精度为±0.01mm。

7、本发明中主、副拉伸机构中试件夹具头的具体设置，可根据所需夹持的粗糙面板的大小、厚度等参数来任意调换试件夹具头，以进一步增大夹持稳定性，减少对试件夹具固定板的损耗。

8、本发明中实验基座上设置的平台旋转刻度板，能够精确度量实验平台及其上的粗糙面板所转动的角度。

9、本发明中实验基座底部设置的机构调平地脚螺栓，能够有效增加整个试验装置的稳定性，且便于移动和支撑在任意试验平面上。

附图说明

图1为本发明提出的试验装置的整体结构示意图。

图2为本发明中实验基座的结构示意图。

图3为本发明中主拉伸机构的局部爆炸示意图。

图4为本发明中副拉伸机构的爆炸示意图。

图5为本发明中粗糙面板的示意图。

其中，1-实验基座，101-平台底座，102-固定螺钉，103-实验平台，104-平台固定板，105-平台旋转轴，106-平台复位扭簧，107-平台旋转刻度板，108-扭簧限位螺钉，109-机构调平地脚螺栓；

2-主拉伸机构，201-主拉伸固定座，202-滑动轴承，203-主拉伸夹具安装座，204-试件夹具台钳，205-弯曲机构顶板，206-弯曲结构导轨，207-试件夹具固定板，208-试件夹具头，209-试件夹具底板，210-主拉伸夹具导轨，211-主拉伸正反丝杆，212-拉伸手轮，213-弯曲机构调节手轮，214-弯曲机构基座；

3-副拉伸机构，301-副拉伸固定座，302-副拉伸夹具安装座，303-副拉伸夹具导轨，304-副拉伸正反丝杠。

具体实施方式

下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。

本实施例提供了一种测量组合变形下液滴动/静态性能的试验装置，能够测量任意粗糙表面在拉伸、压缩、弯曲及该三种作用力的任意组合力作用下液滴的动/静态性能。

如图1所示，该试验装置包括：实验基座1、主拉伸机构2和副拉伸机构3；如图2所示，实验基座1包括：平台底座101、固定螺钉102、实验平台103、平台固定板104、平台旋转轴105、平台复位扭簧106、平台旋转刻度板107、扭簧限位螺钉108和机构调平地脚螺栓109；如图3所示，主拉伸机构2包括：主拉伸固定座201、滑动轴承202、主拉伸夹具安装座203、弯曲机构顶板205、弯曲结构导轨206、主拉伸夹具导轨210、主拉伸正反丝杆211、拉伸手轮212、弯曲机构调节手轮213和弯曲机构基座214；如图4所示，副拉伸机构3包括：副拉伸固定座301、副拉伸夹具安装座302、副拉伸夹具导轨303和副拉伸正反丝杠304。

该试验装置的连接关系为：平台底座101为U字型板，其由两个对侧设置的侧板和连接在两个侧板之间的矩形支撑板组成(优选两侧板和矩形支撑板上均设有减重孔)，该平台底座101的矩形支撑板作为基底，其底部四角通过机构调平地脚螺栓109支撑在地面或其他基准面上；实验平台103的两相对端通过平台固定板104和平台旋转轴105与平台底座101的两侧板转动连接，试件(粗糙面板)安装在实验平台103上，且粗糙面朝上，用于放置试验液滴；其中，平台固定板104为L型板，每个平台固定板104的竖直段通过平台旋转轴105转动连接在平台底座101对应侧的侧板上，水平段与实验平台103固定连接；一侧的平台固定板104与其同一侧的扭簧限位螺钉108(设置在平台底座101侧板上)之间通过平台复位扭簧106连接，且平台复位扭簧106的中部缠绕在该侧的平台旋转轴105上；另一侧的平台固定板104可通过固定螺钉102紧固在任意预设的试验位置处(平台底座101该侧的侧板上设有腰型孔，固定螺钉102一端螺纹连接在平台固定板104上，另一端设有把手，中部可在腰型孔中滑动)，松开固定螺钉102，即可驱动平台固定板104绕平台旋转轴105转动，从而带动实验平台103绕平台旋转轴105转动，并压缩平台复位扭簧106，当实验平台103转动到预设位置处，固定螺钉102可将平台固定板104锁定，进而将实验平台103锁紧在该位置处；

平台旋转刻度板107固定在平台固定板104内侧，当平台固定板104转动设定角度时，粗糙面板上的液滴会发生滑动(或者滚动)；此时拧紧固定螺钉102，并记录平台旋转刻度板107转过的角度α，α即为粗糙面板受拉伸、压缩、弯曲及该三种作用力的任意组合力作用条件下液滴在粗糙面板上的滑动或滚动角(液滴与粗糙面板的上部接触线先移动时，α为滚动角，液滴与粗糙面板的下部接触线先移动时，α为滑动角)；实验结束后松开固定螺钉102，实验平台103即可在平台复位扭簧106的作用下自动恢复到水平状态(此时固定螺钉102转动到腰型孔的端部，从而腰型孔对其限位)；

令平台底座101的矩形支撑板的长度方向为X轴所在方向，宽度方向为Y轴所在方向，则与X轴和Y轴均垂直的方向为Z轴所在方向；两个主拉伸固定座201通过螺栓固定在实验平台103的上表面两端(沿X轴所在方向)，主拉伸正反丝杆211的两端分别通过滑动轴承202支撑在对应侧的主拉伸固定座201上，且一侧主拉伸固定座201上设有拉伸手轮212，其与主拉伸正反丝杆211的一端连接，能够驱动主拉伸正反丝杆211转动；

主拉伸正反丝杆211的两侧(沿Y轴所在方向)分别平行设有主拉伸夹具导轨210，每个主拉伸夹具导轨210的两端分别固定在对应侧的主拉伸固定座201上，主拉伸正反丝杆211及其两侧的主拉伸夹具导轨210形成的整体的中部设有弯曲机构基座214、两端设有主拉伸夹具安装座203，且主拉伸夹具安装座203的下端和弯曲机构基座214均与主拉伸正反丝杆211丝杠螺母副配合、与两个主拉伸夹具导轨210滑动配合；

两个主拉伸夹具安装座203相对的侧面上分别设有主拉伸夹具，每个主拉伸夹具包括：试件夹具基座、试件夹具台钳204、试件夹具固定板207和试件夹具底板209，其中，试件夹具基座固定在主拉伸夹具安装座203的上端，两个试件夹具基座相对的侧面上分别固定有试件夹具底板209，试件夹具台钳204的中部螺纹连接在试件夹具基座侧面的螺纹通孔中，一端作为把手，另一端固定有试件夹具固定板207，粗糙面板的两端夹持在两端的试件夹具底板209和试件夹具固定板207之间，试件夹具台钳204沿Z轴方向上下移动，能够调节试件夹具固定板207与试件夹具底板209之间的距离，从而调节对不同厚度的粗糙面板的夹紧程度；主拉伸正反丝杆211转动时，两个主拉伸夹具安装座203将沿两个主拉伸夹具导轨210滑动，主拉伸夹具安装座203上的主拉伸夹具即随之沿X轴相向或相背滑动，实现对粗糙面板的压缩或拉伸；同时，弯曲机构基座214也可根据实验的需要调节其在两个主拉伸夹具导轨210上的位置；

弯曲机构顶板205的两端固定在两根相互平行的弯曲结构导轨206的一端，两根弯曲结构导轨206的另一端插装在弯曲机构基座214两端设置的通孔(孔轴向与Z轴所在方向平行)中，弯曲机构调节手轮213螺纹连接在弯曲机构基座214中部设置的螺纹通孔(孔轴向与Z轴所在方向平行)中，弯曲机构调节手轮213一端固定在弯曲机构顶板205底部的沉孔中，另一端作为手柄，转动弯曲机构调节手轮213，则弯曲结构导轨206可在弯曲机构基座214两端的通孔中上下滑动，带动弯曲机构顶板205相对弯曲机构基座214上下移动；

所述副拉伸机构3除了未设置弯曲机构顶板205、弯曲结构导轨206、弯曲机构调节手轮213和弯曲机构基座214以外，其余结构与主拉伸机构2一致，且副拉伸机构3与主拉伸机构2垂直交叉布置；

为了便于区分，将副拉伸机构3中的主拉伸固定座201、主拉伸夹具安装座203、主拉伸夹具导轨210和主拉伸正反丝杆211分别命名为副拉伸固定座301、副拉伸夹具安装座302、副拉伸夹具导轨303和副拉伸正反丝杠304，其结构形式与主拉伸机构2中的主拉伸固定座201、主拉伸夹具安装座203、主拉伸夹具导轨210和主拉伸正反丝杆211一致；副拉伸机构3通过两端的副拉伸固定座301与实验平台103固定连接，与主拉伸机构2类似，通过旋转拉伸手轮212控制副拉伸正反丝杆304的转动，使副拉伸机构3的副拉伸夹具安装座302沿着副拉伸夹具导轨303相向或相背滑动，进而与主拉伸机构2配合完成对粗糙面板的双轴拉/压及单轴弯曲和球面弯曲的实验操作。

本实施例中，每个主拉伸夹具还包括：试件夹具头208，其可拆卸安装在试件夹具固定板207的下端，可根据需要夹持的粗糙面板的大小、厚度等参数任意调换试件夹具头208，以进一步增大夹持稳定性，减少对试件夹具固定板207的损耗。

本实施例中，粗糙面板可根据实验目的进行预制，如图5所示，粗糙面板由基底及阵列设置在基底上的微结构组成，其基底的厚度一般为毫米级别，粗糙面板上的微结构的特征尺寸一般为10um级别。

本实施例中，微结构的形式为圆柱形结构，也可以是方柱、圆锥、圆台等其他类型及尺寸的微结构，液滴缓慢放置在粗糙面板上，当其处于微结构顶部，微结构间的空隙由空气填充，此时即液滴即处于Cassie状态；当液滴完全填充微结构间的间隙，此时液滴即处于Wenzel状态。

本实施例提供的测量组合变形下液滴动/静态性能的试验装置的工作原理如下：

本实施例通过对粗糙面板施加拉伸、压缩、弯曲三种变形作用及三种变形作用的组合来改变粗糙面板表面微结构的变形；

1、单轴拉伸的试验方法包括以下步骤：

步骤一：参考粗糙面板的长度或宽度的数值，然后调节主拉伸机构2或副拉伸机构3上的拉伸手轮212至合适位置，使两个主拉伸夹具安装座203沿X轴相向或相背移动至能够夹持粗糙面板；

步骤二：逆时针旋转试件夹具台钳204，使得两端的主拉伸机构2上的试件夹具头208与试件夹具底板209之间张开一定距离(略大于粗糙面板的厚度H)，将粗糙面板置于试件夹具头208与试件夹具底板209之间，顺时针拧紧试件夹具台钳204以紧固粗糙面板；

步骤三：采用游标卡尺测量此时两试件夹具固定板207之间的距离，记为S₁，然后顺时针旋转拉伸手轮212从而沿X轴拉伸粗糙面板至设定位置处，采用游标卡尺测量此时两试件夹具固定板207之间的距离，记为S₂；

步骤四：计算粗糙面板中部的变形系数即为ε_x＝(S₂-S₁)/S₁；ε_y＝μ(S₂-S₁)/S₁，其中μ为任意粗糙面板表面微结构所用材料的泊松比，ε_x为X向的线应变，ε_y为Y向的线应变。

单轴压缩的具体操作及变形系数计算与单轴拉伸的具体操作类似，不同之处在于，步骤三中采用“逆时针旋转拉伸手轮212从而沿X轴压缩粗糙面板至设定位置处”，相同之处不再赘述。

2、双轴拉伸的试验方法包括以下步骤：

步骤一：参考粗糙面板的长度和宽度的数值，分别调节主拉伸机构2与副拉伸机构3的拉伸手轮212，保证主拉伸机构2上的两试件夹具固定板207之间的间距S₃与副拉伸机构3上的两试件夹具固定板207之间的间距S₄能够适应粗糙面板的长度和宽度；其中，粗糙面板的长度和宽度相等；

步骤二：分别逆时针旋转主拉伸机构2与副拉伸机构3上的试件夹具台钳204，使得主拉伸机构2与副拉伸机构3上各自携带的试件夹具头208和试件夹具底板209之间张开一定距离(略大于粗糙面板的厚度H)，粗糙面板置于试件夹具头208与试件夹具底板209之间，然后顺时针拧紧试件夹具台钳204以固定粗糙面板；

步骤三：顺时针旋转主拉伸机构2上的拉伸手轮212少许位置，然后顺时针旋转副拉伸机构3上的拉伸手轮212少许位置，交替操作，实现双轴(分别沿X轴和Y轴)拉伸粗糙面板；用游标卡尺测量两试件夹具固定板207之间的距离，直至该数值与预定距离S₅相等；

步骤四：计算粗糙面板中部基底的变形系数为ε_x＝ε_y＝(S₅-S₃)/S₃×100％。

双轴压缩的具体操作与双轴拉伸的具体操作类似，不同之处在于，步骤三中采用“逆时针旋转主拉伸机构2上的拉伸手轮212少许位置，然后逆时针旋转副拉伸机构3上的拉伸手轮212少许位置，交替操作，实现分别沿X轴和Y轴压缩粗糙面板”，相同之处不再赘述。

3、单轴弯曲的试验方法包括以下步骤：

步骤一：参考粗糙面板的长度和宽度的数值，然后调节主拉伸机构2的拉伸手轮212至设定位置处，保证其上的两试件夹具底板209之间的距离为S₆，其为弯曲所用钢管的直径D_p的3倍，即S₆＝3D_p；

步骤二：逆时针旋转试件夹具台钳204，使得试件夹具头208与试件夹具底板209之间张开一定距离(略大于粗糙面板的厚度H)，将粗糙面板置于试件夹具头208与试件夹具底板209之间，顺时针拧紧试件夹具台钳204以固定粗糙面板；

步骤三：沿X轴方向左右移动弯曲机构基座214使其处于两试件夹具底板209正中位置，将钢管沿Y轴方向水平放置于弯曲机构顶板205上，且钢管位于粗糙面板之下；然后缓慢顺时针旋转弯曲机构调节齿轮213，使得弯曲机构顶板205缓慢上升，最终使钢管与粗糙面板的下表面紧密贴合，停止旋转弯曲机构调节手轮213；

步骤四：计算粗糙面板单轴弯曲曲率半径为R＝(D_p+H)/2。

4、球面弯曲的试验方法包括以下步骤：

步骤一：参考粗糙面板的长度和宽度的数值，然后分别调节主拉伸机构2和副拉伸机构3的拉伸手轮212至设定位置以适应粗糙面板的长度和宽度，主拉伸机构2和副拉伸机3上两试件夹具固定板207之间的距离S₇等于两副拉伸机构3两试件夹具固定板207之间的距离S₈，且保证两试件夹具固定板207之间的距离S₇为球面弯曲所用钢珠4的直径D_s的3倍左右，即S₇＝S₈≈3D_s；

步骤二：分别逆时针旋转主拉伸机构2和副拉伸机构3上的试件夹具台钳204，使得主拉伸机构2和副拉伸机构3上对应的试件夹具头208与试件夹具底板209之间分别张开一定距离(略大粗糙面板的厚度H)，将粗糙面板置于两组试件夹具头208与试件夹具底板209之间，顺时针拧紧试件夹具台钳204以固定粗糙面板；

步骤三：沿X轴方向左右移动弯曲机构基座214，使其处于两试件夹具底板209正中位置，将钢珠放置于弯曲机构顶板205上正中心位置，且保证钢珠位于粗糙面板之下；然后缓慢顺时针旋转弯曲机构调节手轮213，使得弯曲机构顶板205缓慢上升，挤压粗糙面板，最终使得粗糙面板与钢珠表面紧密贴合，停止旋转弯曲机构调节手轮213；

此时粗糙面板的球面弯曲曲率半径为R＝(D_s+H)/2。

5、组合变形的试验方法包括以下步骤：

组合变形的形式一般包括：单轴拉伸和单轴弯曲，单轴拉伸和球面弯曲，双轴拉伸和单轴弯曲以及双轴拉伸和球面弯曲；具体的试验方法参考前面：“单轴拉伸的试验方法”、“双轴拉伸的试验方法”、“单轴弯曲的试验方法”和“球面弯曲的试验方法”进行组合，此处不再赘述。

6、组合变形条件下表观接触角测量的试验方法包括以下步骤：

不管液滴处于何种应力状态或者何种浸润状态，此处只考虑变形施加后的静态表观接触角测量的具体操作，如下：

步骤一：调节高速摄像机的位置和倾斜角度，使其拍照视域法线沿X轴所在方向、水平线与实验平台103平面平行，在高速摄像机对面搭建白色幕布，逆着高速摄像机视域法向补白光，直至液滴在高速摄像机视域内变为黑色，拍照液滴轮廓；

步骤二：将图像导入MATLAB处理，即可得到此状态下液滴高度v、宽度h、液滴与粗糙面板的微结构接触长度w等参数，则液滴的表观接触角θ＝2arctan(2v/w)；同时，也可根据高速摄像机所获取的图像判断液滴在粗糙面板的浸润状态。

7、组合变形条件下液滴铺展弹跳性能测量的试验方法包括以下步骤：

不管粗糙面板处于何种应力状态，此处只考虑变形施加后的图像采集和处理的操作，具体操作为：

步骤一：调节高速摄像机的位置和倾斜角度，使其拍照视域法线为X轴、水平线与实验平台103平面平行，在高速摄像机对面搭建白色幕布，逆着高速摄像机视域法向补白光，直至液滴(半径R0)在高速摄像机视域内变为黑色；

步骤二：调节高速摄像机采集帧数，记每帧间隔时间为Δt，以一定速度释放液滴使其撞击在高速摄像机视域内的粗糙面板上，同时高速摄像机连续拍摄液滴轮廓，直至液滴脱离高速摄像机视域或者钉扎在粗糙面板的微结构上不再变形；

步骤三：整理所有图像，将液滴释放时刻的图像导入MATLAB，从而可得到液滴(半径为R₀)对应的液滴高度、宽度、液滴与微结构接触长度等参数，记为v₀、h₀、w₀，必有v₀＝h₀且w₀＝0；

步骤四：将液滴刚与粗糙表面接触时刻t1的图片导入MATLAB，从而可得到t1时刻液滴高度、宽度、液滴与微结构接触长度w等参数，记为v₁、h₁、w₁，则此时(t1时刻)液滴高度h₁＝v₁R₀/v₀，液滴宽度w₁＝h₁R₀/v₀，液滴与粗糙面板的基底的接触长度l₁＝w₁R₀/v₀；

步骤五：将其他任意时刻ti的图像导入MATLAB，得到此时(ti时刻)液滴的高度h_i，液滴的宽度w_i，液滴与粗糙面板的微结构表面的接触长度l_i，将横轴设为ti，纵轴分别为h_i、w_i和l_i，即可得到液滴随时间t变化的纵向变形系数ε_v＝h_i/R₀，横向变形系数ε_h＝w_i/R₀，润湿系数ε_w＝l_i/R₀三条曲线；

通过上述三条曲线的变化趋势和极值及极值取得的时间即可判断此时液滴的铺展和弹跳性能。

8、组合变形条件下滚动角(或滑动角)测量的具体操作：

不管粗糙面板处于何种应力状态，此处只考虑变形施加后的滚动角测量具体的操作，具体操作为：

步骤一：将水平仪放置在粗糙面板表面，同时调节固定螺钉102与实验平台103及机构调平地脚螺栓109，确定粗糙面板上表面平行于水平面；

步骤二：将半径为R₀的液滴准静态静置于粗糙面板上，松开固定螺钉102，然后缓慢转动实验平台103，观察液滴的变形及运动情况；当液滴发生移动时立即拧紧固定螺钉102，此时平台旋转刻度板107转过的刻度Δθ即为该组合变形条件下粗糙面板表面的滚动角(或者滑动角)α。

综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种测量组合变形下液滴动/静态性能的试验装置，其特征在于，包括：主拉伸机构(2)和副拉伸机构(3)；所述主拉伸机构(2)和副拉伸机构(3)垂直交叉固定在实验基座(1)中的实验平台(103)上，试件夹持在主拉伸机构(2)和/或副拉伸机构(3)中的试件夹具固定板(207)和试件夹具底板(209)之间，液滴位于试件上表面；旋转主拉伸机构(2)和/或副拉伸机构(3)上的拉伸手轮(212)对试件施加单轴拉伸/压缩或双轴拉伸/压缩作用力，旋转主拉伸机构(2)和/或副拉伸机构(3)上的拉伸手轮(212)和/或弯曲结构调节手轮(213)对试件施加单轴/球面弯曲与单轴/双轴拉伸和单轴/球面弯曲的组合作用力，试件在这些作用力下发生相应的变形，液滴能够进行动/静态性能试验；其中，实验平台(103)与实验基座(1)所在的水平面平行；对试件施加单轴弯曲时，弯曲结构调节手轮(213)驱动主拉伸机构(2)上放置的管体顶起试件；对试件施加球面弯曲时，弯曲结构调节手轮(213)驱动主拉伸机构(2)上放置的球体顶起试件。

2.如权利要求1所述的测量组合变形下液滴动/静态性能的试验装置，其特征在于，所述管体采用钢管，所述球体采用钢珠。

3.如权利要求1所述的测量组合变形下液滴动/静态性能的试验装置，其特征在于，所述试件为粗糙面板，且所述粗糙面板由基底及阵列分布在基底上的微结构组成。

4.如权利要求3所述的测量组合变形下液滴动/静态性能的试验装置，其特征在于，所述粗糙面板的微结构的形式为圆柱或方柱或圆锥或圆台形结构。

5.如权利要求3所述的测量组合变形下液滴动/静态性能的试验装置，其特征在于，所述粗糙面板的基底厚度为毫米级别，其上的微结构的特征尺寸为10um级别。

6.如权利要求1-5中任意一项所述的测量组合变形下液滴动/静态性能的试验装置，其特征在于，所述实验基座(1)还包括：平台底座(101)、平台固定板(104)、平台旋转轴(105)、平台复位扭簧(106)和扭簧限位螺钉(108)；

所述平台底座(101)采用U字型板，其由两个对侧设置的侧板和连接在两个侧板之间的矩形支撑板组成；实验平台(103)的两相对端通过平台固定板(104)和平台旋转轴(105)与平台底座(101)的两侧板转动连接，试件安装在实验平台(103)上；其中，平台固定板(104)为L型板，每个平台固定板(104)的竖直段通过平台旋转轴(105)转动连接在平台底座(101)对应侧的侧板上，水平段与实验平台(103)固定连接；一侧的平台固定板(104)与其同一侧平台底座(101)侧板上的扭簧限位螺钉(108)之间通过平台复位扭簧(106)连接，且平台复位扭簧(106)的中部缠绕在该侧的平台旋转轴(105)上；另一侧的平台固定板(104)通过固定螺钉(102)紧固在任意预设的试验位置处，松开固定螺钉(102)，驱动平台固定板(104)绕平台旋转轴(105)转动，从而带动实验平台(103)绕平台旋转轴(105)转动，并压缩平台复位扭簧(106)，当实验平台(103)转动到预设位置处，固定螺钉(102)将平台固定板(104)锁定，进而将实验平台(103)锁定在该位置处；

实验结束后松开固定螺钉(102)，实验平台(103)在平台复位扭簧(106)的作用下恢复到水平状态。

7.如权利要求6所述的测量组合变形下液滴动/静态性能的试验装置，其特征在于，所述主拉伸机构(2)还包括：主拉伸固定座(201)、滑动轴承(202)、主拉伸夹具安装座(203)、弯曲机构顶板(205)、弯曲结构导轨(206)、主拉伸夹具导轨(210)、主拉伸正反丝杆(211)和弯曲机构基座(214)；

令平台底座(101)的矩形支撑板的长度方向为X轴所在方向，宽度方向为Y轴所在方向，则与X轴和Y轴均垂直的方向为Z轴所在方向；两个所述主拉伸固定座(201)沿X轴固定在实验平台(103)的上表面两端，主拉伸正反丝杆(211)的两端分别通过滑动轴承(202)支撑在对应侧的主拉伸固定座(201)上，且一侧主拉伸固定座(201)上设有拉伸手轮(212)，其与主拉伸正反丝杆(211)的一端连接，能够驱动主拉伸正反丝杆(211)转动；

所述主拉伸正反丝杆(211)沿Y轴的两侧分别平行设有主拉伸夹具导轨(210)，每个主拉伸夹具导轨(210)的两端分别固定在对应侧的主拉伸固定座(201)上，主拉伸正反丝杆(211)及其两侧的主拉伸夹具导轨(210)形成的整体的中部设有弯曲机构基座(214)、两端设有主拉伸夹具安装座(203)，且主拉伸夹具安装座(203)的下端和弯曲机构基座(214)均与主拉伸正反丝杆(211)丝杠螺母副配合、与两个主拉伸夹具导轨(210)滑动配合；

两个所述主拉伸夹具安装座(203)相对的侧面上分别设有主拉伸夹具，每个主拉伸夹具包括：试件夹具基座和试件夹具台钳(204)；所述试件夹具基座固定在主拉伸夹具安装座(203)的上端，两个试件夹具基座相对的侧面上分别固定有试件夹具底板(209)；试件夹具台钳(204)的中部螺纹连接在试件夹具基座侧面的螺纹通孔中，一端作为把手，另一端固定有试件夹具固定板(207)；试件的两端夹持在两端的试件夹具底板(209)和试件夹具固定板(207)之间，试件夹具台钳(204)沿Z轴方向上下移动，能够调节试件夹具固定板(207)与试件夹具底板(209)之间的距离；主拉伸正反丝杆(211)转动时，两个主拉伸夹具安装座(203)将沿两个主拉伸夹具导轨(210)滑动，主拉伸夹具安装座(203)上的主拉伸夹具随之沿X轴相向或相背滑动，实现对试件的压缩或拉伸；同时，弯曲机构基座(214)在两个主拉伸夹具导轨(210)上的位置可调；

所述弯曲机构顶板(205)的两端固定在两根相互平行的弯曲结构导轨(206)的一端，两根弯曲结构导轨(206)的另一端插装在弯曲机构基座(214)两端设置的通孔中，弯曲机构调节手轮(213)螺纹连接在弯曲机构基座(214)中部设置的螺纹通孔中，弯曲机构调节手轮(213)一端固定在弯曲机构顶板(205)底部的沉孔中，另一端作为手柄，转动弯曲机构调节手轮(213)，则弯曲结构导轨(206)在弯曲机构基座(214)两端的通孔中上下滑动，带动弯曲机构顶板(205)相对弯曲机构基座(214)上下移动。

8.如权利要求7所述的测量组合变形下液滴动/静态性能的试验装置，其特征在于，每个所述主拉伸夹具还包括：试件夹具头(208)，其拆卸安装在试件夹具固定板(207)的下端。

9.如权利要求6所述的测量组合变形下液滴动/静态性能的试验装置，其特征在于，所述实验基座(1)还包括：平台旋转刻度板(107)；

所述平台旋转刻度板(107)固定在平台固定板(104)内侧，当平台固定板(104)转动设定角度时，试件上的液滴会发生滑动或者滚动；此时拧紧固定螺钉(102)，并记录平台旋转刻度板(107)转过的角度，该角度为试件受拉伸、压缩、弯曲及该三种作用力的任意组合力作用条件下液滴在试件上的滑动或滚动角。

10.如权利要求7-9中任意一项所述的测量组合变形下液滴动/静态性能的试验装置，其特征在于，所述实验基座(1)还包括：机构调平地脚螺栓(109)；所述平台底座(101)的矩形支撑板作为基底，其底部四角通过机构调平地脚螺栓(109)支撑在地面或基准面上。

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