CN113607884A - 一种基于介电弹性体表面失稳的抗海洋生物淤积实验系统 - Google Patents
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Abstract
一种基于介电弹性体表面失稳的抗海洋生物淤积实验系统，包括实验平台、监测装置、数据处理平台、高压电源；实验平台包括基座、第一电极、介电弹性体组件、第二电极，介电弹性体组件包括刚性基板和介电弹性体薄膜，介电弹性体薄膜粘贴在刚性基板上，刚性基板与基座固定连接，第一电极和第二电极分别连接介电弹性体组件的两侧，高压电源分别电连接第一电极和第二电极；监测装置安装在实验平台的外侧，监测装置与数据处理平台电连接。本发明可量化实验结果，并通过调整实验系统参数达到去除不同海洋生物淤积的效果，从而为船舶、军舰等领域提供一种绿色环保、长防污寿命、有效的海洋生物淤积去除手段，属于抗海洋生物淤积研究领域。
Description
技术领域
本发明涉及抗海洋生物淤积研究领域，具体涉及一种基于介电弹性体表面失稳的抗海洋生物淤积实验系统。
背景技术
海洋生物淤积是指海洋生物在海洋装备、载具等的表面附着、生长的现象。海洋生物淤积长期以来困扰着人们，造成了巨大的危害和经济损失。传统抗海洋生物淤积方法中使用的防污涂料含有大量重金属离子，对海洋造成巨大的污染，因此研究绿色、环境友好的抗海洋生物淤积方法十分必要。此外，海洋生物淤积有几千余种，实现对不同海洋生物淤积的去除尤为重要。绿色、环境友好的防污涂料是传统防污涂料的一种期望替代品，此类新型防污涂料通过使用天然的、对环境无害的杀菌剂或改变涂层表面的微结构等来实现抗海洋生物淤积，但此类方法存在成本高、防污寿命短、抗污种类少等问题。
介电弹性体通过表面微尺度失稳能够实现对海洋生物淤积的去除，去除过程不需要使用对环境有害的杀菌剂，是一种新型、绿色的抗海洋生物淤积的方法。输入电压、介电弹性体预拉伸倍数等参数能够影响介电弹性体表面的失稳形态。而目前，不同介电弹性体的表面失稳形态对于各类海洋生物淤积的去除效果是未知的，因此，需要设计一套完善的实验系统，以便实验人员根据生物淤积的去除效果调整实验参数，达到去除不同海洋生物淤积的目的。
发明内容
针对现有技术中存在的技术问题，本发明的目的是：提供一种基于介电弹性体表面失稳的抗海洋生物淤积实验系统，使实验人员可方便地调节实验参数，获取介电弹性体表面失稳状态及生物淤积去除结果，并将其量化处理。
为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：一种基于介电弹性体表面失稳的抗海洋生物淤积实验系统，包括实验平台、监测装置、数据处理平台、高压电源；实验平台包括基座、第一电极、介电弹性体组件、第二电极，介电弹性体组件包括刚性基板和介电弹性体薄膜，介电弹性体薄膜粘贴在刚性基板上，刚性基板与基座固定连接，第一电极和第二电极分别连接介电弹性体组件的两侧，高压电源分别电连接第一电极和第二电极；监测装置安装在实验平台的外侧，监测装置与数据处理平台电连接。
采用这种结构后，高压电源可调，可方便地调节施加在介电弹性体上的电压，介电弹性体预拉伸后粘贴在刚性基板上，既可维持介电弹性体薄膜的预拉伸状态，又可防止击穿，监测装置可监测介电弹性体表面失稳的总体形貌、具体的形貌参数和海洋生物淤积的去除效果，数据处理平台可进行实验数据的量化处理，从而实验人员可根据量化处理结果，调节输入电压和介电弹性体薄膜的预拉伸倍数，进而改变介电弹性体薄膜的表面失稳褶皱拓扑构型，以达到去除不同海洋生物淤积的目的。
作为一种优选，第一电极包括第一导电层和第一接线片，高压电源通过第一接线片连接第一导电层，第二电极包括第二导电层和第二接线片，高压电源通过第二接线片连接第二导电层，第二导电层为柔性导电层，第一导电层与刚性基板固定连接，第一导电层、刚性基板、介电弹性体薄膜、第二导电层从下至上依次排布。
作为一种优选，实验平台还包括顶部框架，顶部框架为矩形框架，顶部框架位于介电弹性体薄膜的上方，顶部框架的侧面设有镂空部，镂空部连通顶部框架的内部和外侧。
作为一种优选，实验平台还包括底部框架，刚性基板通过底部框架安装在基座上，底部框架的材料为PLA。
作为一种优选，第二导电层为导电碳膏层，第一导电层为铝箔。
作为一种优选，监测装置包括顶部摄像机、侧部摄像机和显微镜。
作为一种优选，一种基于介电弹性体表面失稳的抗海洋生物淤积实验系统还包括位置转换装置，位置转换装置包括安装轴和底座，基座通过安装轴与底座转动连接，安装轴的外侧设有第一工位和第二工位，实验平台通过基座的转动在第一工位和第二工位之间切换；顶部摄像机位于第一工位的上方，侧部摄像机位于第一工位的外侧，显微镜位于第二工位的上方。
作为一种优选，显微镜为荧光显微镜，顶部摄像机和侧部摄像机均为高速摄像机。
作为一种优选，介电弹性体薄膜的材料为VHB4910，基座的材料为PLA，刚性基板的材料为PVC。
作为一种优选，高压电源的高压输出端连接第一接线片，高压电源的接地端连接第二接线片。
总的说来，本发明具有如下优点：该实验系统中的介电弹性体可以多次往复失稳产生褶皱和恢复稳定，且可通过调整实验系统参数达到去除不同海洋生物淤积的效果，为船舶、军舰等领域提供一种绿色环保、长防污寿命、有效的海洋生物淤积去除手段。且该实验系统在操作时，实验平台可在摄像机的观测位置与显微镜的观测位置间进行转换，实现不同监测设备对实验现象的观测。
附图说明
图1为一种基于介电弹性体表面失稳的抗海洋生物淤积实验系统的示意图。
图2为实验平台的结构示意图。
图3为实验平台处于两种不同观测位置的示意图。
其中，1为实验平台，2为高压电源，3为顶部摄像机，4为侧部摄像机，5为显微镜，6为位置转换装置，7为数据处理平台，8为第二接线片，9为顶部框架，10为第二导电层，11为介电弹性体薄膜，12为刚性基板，13为第一导电层，14为第一接线片，15为底部框架，16为基座。
具体实施方式
下面将结合具体实施方式来对本发明做进一步详细的说明。
实施例一
如图1～3所示，一种基于介电弹性体表面失稳的抗海洋生物淤积实验系统，包括实验平台、监测装置、数据处理平台、高压电源；实验平台包括基座、第一电极、介电弹性体组件、第二电极，介电弹性体组件包括刚性基板和介电弹性体薄膜，介电弹性体薄膜粘贴在刚性基板上，刚性基板与基座固定连接，第一电极和第二电极分别连接介电弹性体组件的两侧，高压电源分别电连接第一电极和第二电极；监测装置安装在实验平台的外侧，监测装置与数据处理平台电连接。
第一电极包括第一导电层和第一接线片，高压电源通过第一接线片连接第一导电层，第二电极包括第二导电层和第二接线片，高压电源通过第二接线片连接第二导电层，第二导电层为柔性导电层，第一导电层与刚性基板固定连接，第一导电层、刚性基板、介电弹性体薄膜、第二导电层从下至上依次排布。
实验平台还包括顶部框架，顶部框架对介电弹性体的预拉伸状态起辅助支承作用，顶部框架为矩形框架，顶部框架位于介电弹性体薄膜的上方，顶部框架的侧面设有镂空部，镂空部连通顶部框架的内部和外侧，便于侧部摄像机的观测。
实验平台还包括底部框架，刚性基板通过底部框架安装在基座上，底部框架的材料为PLA。
第二导电层为导电碳膏层，第一导电层为铝箔。导电碳膏涂抹在介电弹性体薄膜上形成第二导电层。
监测装置包括顶部摄像机、侧部摄像机和显微镜。顶部摄像机和侧部摄像机用于观测介电弹性体薄膜表面的失稳形态，显微镜用于观测生物淤积的去除过程。
一种基于介电弹性体表面失稳的抗海洋生物淤积实验系统还包括位置转换装置，位置转换装置包括安装轴和底座，基座通过安装轴与底座转动连接，安装轴的外侧设有第一工位和第二工位，实验平台通过基座的转动在第一工位和第二工位之间切换；顶部摄像机位于第一工位的上方，侧部摄像机位于第一工位的外侧，显微镜位于第二工位的上方。
显微镜为荧光显微镜，顶部摄像机和侧部摄像机均为高速摄像机。
介电弹性体薄膜的材料为VHB4910，基座的材料为PLA，刚性基板的材料为PVC。
高压电源的高压输出端连接第一接线片，高压电源的接地端连接第二接线片。
第一接线片和第二接线片的材料均为铝箔，顶部框架和底部框架的材料均为PLA。当实验平台处于第一工位时，侧部摄像机的镜头朝向镂空部。数据处理平台包括数据处理装置和显示装置。高压电源能够为实验平台提供0～30kV的高压电。
实验平台的制作和安装流程如下：首先，对介电弹性体薄膜进行单轴预拉伸，将预拉伸后的介电弹性体薄膜固定粘贴在刚性基板上，并将顶部框架固定安装在介电弹性体薄膜上，之后在介电弹性体薄膜上培养海洋生物淤积，如硅藻生物膜、细菌生物膜等，培养完成后，将刚性基板、介电弹性体薄膜、基座、第一电极、第二电极进行组装，从而完成实验平台的制作，接着将实验平台安装在位置转换装置上，并与高压电源电缆相连。
实验时，手动调整将实验平台转动至第一工位，然后控制高压电源输出一个特定电压值，使用顶部摄像机和侧部摄像机观测和记录在该电压下介电弹性体薄膜表面所产生的失稳形态，之后将实验平台调整至第二工位，选择生物淤积密度较高区域作为显微镜观察区域，控制高压电源输出周期性电压值，该电压值与上述特定电压值一致，使用显微镜观测和记录在该周期性电压值下生物淤积的去除过程。
通过数据连接，将监测装置观测和记录的介电弹性体薄膜表面的失稳形态及生物淤积去除过程导入到数据处理平台中，并通过高速摄像机运动分析软件VL 3.0和荧光显微镜图像分析软件ImageView对实验现象进行数据化处理。
数据化处理的过程如下：使用高速摄像机运动分析软件VL 3.0对失稳前的介电弹性体薄膜进行标定点标定，观察失稳后标定点位置的变化，获得失稳的总体形态和具体形态参数，即波长、幅值、凹坑深度、范围等。使用荧光显微镜图像分析软件ImageView对失稳前后显微镜观察区域内的细胞数量或生物膜面积进行对比分析，获得海洋生物淤积的去除效果。
实验人员可根据从数据处理平台获得的量化实验结果，即介电弹性体薄膜表面的失稳形态参数及海洋生物淤积的去除效果，通过调节输入电压和介电弹性体薄膜的预拉伸倍数，进而改变介电弹性体薄膜的表面失稳褶皱拓扑构型，以达到去除不同海洋生物淤积的目的。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种基于介电弹性体表面失稳的抗海洋生物淤积实验系统，其特征在于：包括实验平台、监测装置、数据处理平台、高压电源；
实验平台包括基座、第一电极、介电弹性体组件、第二电极，介电弹性体组件包括刚性基板和介电弹性体薄膜，介电弹性体薄膜粘贴在刚性基板上，刚性基板与基座固定连接，第一电极和第二电极分别连接介电弹性体组件的两侧，高压电源分别电连接第一电极和第二电极；
监测装置安装在实验平台的外侧，监测装置与数据处理平台电连接。
2.按照权利要求1所述的一种基于介电弹性体表面失稳的抗海洋生物淤积实验系统，其特征在于：第一电极包括第一导电层和第一接线片，高压电源通过第一接线片连接第一导电层，第二电极包括第二导电层和第二接线片，高压电源通过第二接线片连接第二导电层，第二导电层为柔性导电层，第一导电层与刚性基板固定连接，第一导电层、刚性基板、介电弹性体薄膜、第二导电层从下至上依次排布。
3.按照权利要求2所述的一种基于介电弹性体表面失稳的抗海洋生物淤积实验系统，其特征在于：实验平台还包括顶部框架，顶部框架为矩形框架，顶部框架位于介电弹性体薄膜的上方，顶部框架的侧面设有镂空部，镂空部连通顶部框架的内部和外侧。
4.按照权利要求2所述的一种基于介电弹性体表面失稳的抗海洋生物淤积实验系统，其特征在于：实验平台还包括底部框架，刚性基板通过底部框架安装在基座上，底部框架的材料为PLA。
5.按照权利要求2所述的一种基于介电弹性体表面失稳的抗海洋生物淤积实验系统，其特征在于：第二导电层为导电碳膏层，第一导电层为铝箔。
6.按照权利要求1所述的一种基于介电弹性体表面失稳的抗海洋生物淤积实验系统，其特征在于：监测装置包括顶部摄像机、侧部摄像机和显微镜。
7.按照权利要求6所述的一种基于介电弹性体表面失稳的抗海洋生物淤积实验系统，其特征在于：还包括位置转换装置，位置转换装置包括安装轴和底座，基座通过安装轴与底座转动连接，安装轴的外侧设有第一工位和第二工位，实验平台通过基座的转动在第一工位和第二工位之间切换；
顶部摄像机位于第一工位的上方，侧部摄像机位于第一工位的外侧，显微镜位于第二工位的上方。
8.按照权利要求7所述的一种基于介电弹性体表面失稳的抗海洋生物淤积实验系统，其特征在于：显微镜为荧光显微镜，顶部摄像机和侧部摄像机均为高速摄像机。
9.按照权利要求2所述的一种基于介电弹性体表面失稳的抗海洋生物淤积实验系统，其特征在于：介电弹性体薄膜的材料为VHB4910，基座的材料为PLA，刚性基板的材料为PVC。
10.按照权利要求1所述的一种基于介电弹性体表面失稳的抗海洋生物淤积实验系统，其特征在于：高压电源的高压输出端连接第一接线片，高压电源的接地端连接第二接线片。
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Legal Events
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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