CN115101134A - 一种材料表面抗润湿性能的评估方法 - Google Patents
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Abstract
本发明适用于材料表面润湿性测试技术领域，提供了一种材料表面抗润湿性能的评估方法，包括获得材料表面的宏观参数；将材料尺寸和材料表面的突起结构的尺寸进行等比例缩小，得到缩比材料参数；根据缩比材料参数进行建模，包括材料表面模型和撞击液滴模型；采用构建的材料表面模型和撞击液滴模型进行分子动力学模拟，得到模拟临界速度V1，根据以下公式计算材料表面的临界速度V：
。本申请根据液滴完全渗透结构间隙时具有的微观力学平衡，通过分子动力学模拟方法从微观尺度过渡到宏观尺度，继而评估宏观材料结构表面的抗润湿性能，能够有效提高材料表面抗润湿性能评估的效率，极大地降低了评估成本以及评估周期。
Description
技术领域
本发明涉及材料表面润湿性测试技术领域，尤其是涉及一种材料表面抗润湿性能的评估方法。
背景技术
材料表面的抗润湿性能的评估方法大多采用试验验证，通过进行宏观试验对液滴撞击在材料结构表面后的撞击特性进行分析，例如测量液滴撞击表面后完全渗透结构缝隙的临界速度大小。
宏观试验评估表面的抗润湿性能步骤包括：根据所提出的结构排列方式制备试件，通过不同速度的液滴撞击在带有突起的结构试件表面，结合高速摄像机观察，提取液滴撞击在试件表面后刚好渗透结构间隙的临界速度，这个速度越大说明表面的抗液滴润湿性能更强。
这种方法由于需要进行大量试验，因此较为耗时耗力，如何提高试验效率是本领域技术人员急需解决的技术问题。
发明内容
为了解决现有技术的不足，本发申请提供一种材料表面抗润湿性能的评估方法，根据液滴完全渗透结构间隙时具有的微观力学平衡，通过分子动力学模拟方法从微观尺度过渡到宏观尺度，继而评估宏观材料结构表面的抗润湿性能，能够有效提高材料表面抗润湿性能评估的效率，极大地降低了评估成本以及评估周期。本申请是这样实现的：
本申请提供一种材料表面抗润湿性能的评估方法，包括以下步骤：
S10. 获得材料表面的宏观参数；
所述宏观参数包括：突起结构的边长r；
S20. 将材料尺寸和材料表面的突起结构的尺寸进行等比例缩小，得到缩比材料参数；
所述缩比材料参数包括：突起结构的边长r1；
S30. 根据步骤S20获得的缩比材料参数进行建模
所述建模包括建立材料表面模型和撞击液滴模型；
S40. 采用步骤S30所构建的材料表面模型和撞击液滴模型进行分子动力学模拟，得到模拟临界速度V1；
S50. 根据以下公式计算材料表面的临界速度V：
其中，PWH，PD，PC，PL分别为临界速度下液滴撞击在表面时的水锤压力，动态压力，毛细压力以及拉普拉斯压力；L和L1分别为宏观尺度下设定的撞击液滴的半径以及撞击液滴模型建模时设定的撞击液滴的半径。
进一步地，步骤S20中，将材料尺寸和材料表面的突起结构的尺寸进行等比例缩小后，突起结构的尺寸为0.01-100nm。
进一步地，所述宏观参数还包括：突起结构之间的间距d，突起结构的高度h，所述缩比材料参数还包括：突起结构之间的间距d1，突起结构的高度h1。
进一步地，步骤S20中将材料尺寸和材料表面的突起结构的尺寸进行等比例缩小时，所述突起结构的面积分数在缩比前后相等；所述突起结构的面积分数为：所有突起结构占据整个材料表面面积的百分比。
进一步地，所述宏观参数还包括：液滴在材料表面的静态接触角θ；所述液滴在材料表面的静态接触角θ在步骤S20中保持不变。
进一步地，撞击液滴模型建模时设定的撞击液滴的半径L1取值为50-100nm。
进一步地，步骤S40包括：
根据初始设置的撞击速度计算液滴撞击材料表面后的最大陷入深度D；
若
，则增大撞击速度；
进一步地，
，
，，
，
；
其中，ρ是水的密度，k是水锤压力系数，C是水中的声速，γ是液滴的表面张力，θ是液滴在材料表面的静态接触角，
是突起结构的面积分数。
进一步地，所述突起结构为圆柱时，边长为所述圆柱结构的直径。
采用以上任何一个技术方案，由于根据液滴完全渗透结构间隙时具有的微观力学平衡，通过分子动力学模拟方法从微观尺度过渡到宏观尺度，继而评估宏观材料结构表面的抗润湿性能，能够有效提高材料表面抗润湿性能评估的效率，极大地降低了评估成本以及评估周期。并且经过实验验证，采用本申请的以上任一个评估方法，所评估的结果与实验方法的评估结构相差甚小，说明本申请的评估方法对材料表面的抗润湿性能的评估是非常有效的。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对本发明实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面所描述的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本申请实施例1所提供的一种材料表面抗润湿性能的评估方法的流程示意图；
图2是本申请实施例1所涉及的材料表面的宏观参数示意图；
图3是本申请实施例1所涉及的液滴撞击在材料表面达到最大深度D的示意图。
具体实施方式
以下的说明提供了许多不同的实施例、或是例子，用来实施本发明的不同特征。以下特定例子所描述的元件和排列方式，仅用来精简的表达本发明，其仅作为例子，而并非用以限制本发明。
现有技术中，对于材料表面的抗润湿性能的评估通常采用试验验证，即通过不同速度的液滴撞击在带有突起的结构试件表面，结合高速摄像机观察，提取液滴撞击在试件表面后刚好渗透结构间隙的临界速度，这个速度越大说明表面的抗液滴润湿性能更强。但是这种通过试验来评估的方式耗时耗力，得到的结果也不太准确。
因此，本申请提出一种从微观尺度过渡到宏观试验的方法，通过分子动力学模拟方法，结合液滴撞击表面后完全渗透空气间隙时的力学平衡模型，将模拟计算的结果直接应用到宏观材料结构的抗润湿性能评估之中。提高了材料表面抗润湿性能评估的效率，降低了评估成本以及评估周期。
值得说明的是，本申请是一种材料表面抗润湿性能的评估方法，本领域技术人员可以理解，抗润湿性能和润湿性能都是指材料表面亲疏水性能，因而，本申请也同样可用于评估材料表面的润湿性能。
实施例1
一种材料表面抗润湿性能的评估方法，如图1所示，包括以下步骤：
S10. 获得材料表面的宏观参数；
所述宏观参数包括：突起结构的边长r，突起结构之间的间距d，突起结构的高度h，如图2所示；由于突起结构可以是柱形或圆柱形，当突起结构为圆柱形时，边长设定为所述圆柱结构的直径。
进一步地，根据以上宏观参数计算突起结构的面积分数：
也就是说，突起结构的面积分数为：所有突起结构占据整个材料表面面积的百分比；
S20. 将材料尺寸和材料表面的突起结构的尺寸进行等比例缩小，得到缩比材料参数；
所述缩比材料参数包括：突起结构的边长r1，突起结构之间的间距d1，突起结构的高度h1。
本领域技术人员可以理解，通常情况下，将材料尺寸和材料表面的突起结构的尺寸进行等比例缩小，是按照材料表面结构突起排列的方式，在xyz三个方向进行等比例缩小，为了便于后续进行建模和模拟计算，缩小后的材料参数优选为纳米级，也即是说，突起结构的尺寸为纳米级，优选为0.01-100nm，更优选为1-10nm，例如突起结构的边长r1，突起结构的高度h1的尺寸在上述范围内。
作为优选，步骤S20中将材料尺寸和材料表面的突起结构的尺寸进行等比例缩小时，所述突起结构的面积分数在缩比前后相等。
S30. 根据步骤S20获得的缩比材料参数进行建模
所述建模包括建立材料表面模型和撞击液滴模型；
值得说明的是，材料表面模型和撞击液滴模型的建模是本领域的常规技术手段，在此不再赘述。本领域技术人员知晓，可以采用Paclmol、MaterialStudio等软件对撞击液滴和材料表面模型进行建模。对撞击液滴进行建模时，涉及的参数为撞击液滴模型建模时设定的撞击液滴的半径L1，由于撞击液滴模型建模时设定的撞击液滴的半径L1的大小不会影响评估的结果，本领域技术人员可以根据实际情况取值，一般L1取值为50-100nm。对材料表面模型进行建模时，涉及的模拟参数包括：液滴在材料表面的静态接触角θ（液滴在材料表面的静态接触角表示水滴静止在表面时水滴壁面与材料表面形成的夹角）、突起结构的面积分数
、突起结构边长r1、突起结构间距d1、突起结构高度h1。
值得说明的是，液滴在材料表面的静态接触角θ是材料的表面的固有属性，因而液滴在材料表面的静态接触角θ在步骤S20中对材料表面模型建模时保持不变。
S40. 采用步骤S30所构建的材料表面模型和撞击液滴模型进行分子动力学模拟，得到模拟临界速度V1；
由于分子动力学模拟是本领域的常规技术，在此不做赘述，可以利用现有的模拟软件进行模拟，例如Lammps等软件进行分子动力学模拟。
具体过程为：首先，统一液滴在结构表面的初始高度D0，并随机设置液滴的初始撞击速度，观察液滴在该速度下撞击表面后的最大陷入深度D，如图3所示。由于突起结构的高度h是固定的，因此，撞击速度在小于临界速度时，最大陷入深度D会小于h；当撞击速度大于或等于临界速度时，最大陷入深度D会等于h。
基于此，步骤S40包括：
根据初始设置的撞击速度计算液滴撞击材料表面后的最大陷入深度D；
若
，则增大撞击速度；
具体实施过程中，由于h是固定值，
的值不会超过h值，因而可能会存在当
时，撞击速度并不是准确的临界速度的情况。
因此，为了找到准确的临界速度，还包括以下步骤：
当
时，速度增大到临界速度V1后刚好使得
；
或者，当液滴在临界速度V1时
，而速度减小又使得
，此时的速度记为临界速度V1。
S50. 根据以下公式计算材料表面的临界速度V：
其中，PWH，PD，PC，PL分别为临界速度下液滴撞击在表面时的水锤压力，动态压力，毛细压力以及拉普拉斯压力；L和L1分别为宏观尺度下设定的撞击液滴的半径以及撞击液滴模型建模时设定的撞击液滴的半径。
值得说明的是，宏观尺度下设定的撞击液滴的半径L和撞击液滴模型建模时设定的撞击液滴的半径L1的大小不会影响评估的结果，本领域技术人员可以根据实际情况取值，一般L取值 1~10 mm，L1取值为50-100nm。
其中，ρ是水的密度，k是水锤压力系数，C是水中的声速，γ是液滴的表面张力，θ是液滴在材料表面的静态接触角，
是突起结构的面积分数
该步骤S50的构思为，根据步骤S40输出的临界速度V1，计算临界速度下液滴撞击在表面时的动态压力PD、水锤压力PWH、毛细压力PC以及拉普拉斯压力PL。其中，动态压力和水锤压力是撞击时的驱动压力，毛细压力和拉普拉斯压力是抵抗压力，这四项压力在临界速度下具有力学平衡，表达式为：
将步骤S10给出的宏观参数、步骤S30设置的模拟参数、步骤S40计算出的临界速度V1以及计算出的各项压力代入上式，则能够建立可将模拟结果运用于宏观材料的模型：
计算材料表面在宏观下的临界速度V：
本实施例根据液滴完全渗透结构间隙时具有的微观力学平衡，通过分子动力学模拟方法从微观尺度过渡到宏观尺度，继而评估宏观材料结构表面的抗润湿性能，能够有效提高材料表面抗润湿性能评估的效率，极大地降低了评估成本以及评估周期。
本申请中，各步骤前的编号只是作为各步骤的代号，不能作为对每个步骤顺序的限定。例如，根据本实施例，本领域技术人员可提前构建好材料表面模型和撞击液滴模型，在需要评估某一具体的材料表面时，仅需要将材料表面的宏观参数输入进行缩比后输入模型即可，随后通过模拟计算得到临界速度，再采用临界速度计算各压力值，带入临界速度公式计算得到临界速度，该临界速度用于评估材料表面的抗润湿性能，V的值越大，则材料表面的抗润湿性能越好。
实施例2
本实施例是采用实施例1的一种材料表面抗润湿性能的评估方法对三种超疏水结构表面的抗润湿性能评估算例。
三种超疏水结构表面的具体参数如表1所述，取撞击液滴半径L = 1 mm, 表面张力为73 N/m。计算出三种表面的突起结构面积分数。
表1 待评估的超疏水结构表面参数
针对以上三种超疏水结构表面，在x，y，z方向均等比例缩小1e-4倍，缩比材料参数如表2所示，其中，结构排列不变、表面接触角不变以及突起结构面积分布也保持不变，突起结构尺寸从微米级缩小至纳米级。
表 
缩比材料参数
通过LAMMPS软件对三种模型进行分子动力学模拟计算，模拟过程中的液滴半径L1= 40 Å。计算不同撞击速度下液滴撞击表面后的最大下陷深度，并且提取出液滴撞击表面后最大下陷深度正好等于结构高度h时的临界速度V1。根据计算，三种表面的分子动力学模拟的临界速度为300 m/s、330 m/s、350 m/s。
根据计算出来的临界速度V1，分别将动态压力PD、水锤压力PWH、毛细压力PC、拉普拉斯压力PL计算出来，计算结果如表3所述。
表 
各项压力计算结果
将以上计算出的各项压力值，并且根据宏观超疏水表面参数以及临界速度带入公式，估算宏观情况下液滴完全渗透结构间隙所需的临界速度V。
计算结果为：表面1的临界速度是0.234 m/s，表面2的临界速度是0.413 m/s，表面3的临界速度为0.505 m/s。
方法验证：试验表面参数为液滴半径为0.825 mm，结构尺寸为5μm，突起结构面积分数为0.08，接触角为156°，试验出现完全渗透结构间隙时的临界速度为0.99 m/s。根据模拟计算的结果输出的临界速度为0.97 m/s, 误差为1.02%。由此可知，采用本申请的一种材料表面抗润湿性能的评估方法，与实验方法的评估结果相比，误差较小，说明本申请的评估方法评估有效，并且相对于实验的评估方法，评估效率较高，评估成本降低并且评估周期相对于实验评估方法明显缩短。
还可以通过比较输出的临界速度大小，三种表面中，抗润湿能力表面3>表面2>表面1。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种材料表面抗润湿性能的评估方法，其特征在于，包括以下步骤：
S10. 获得材料表面的宏观参数；
所述宏观参数包括：突起结构的边长r；
S20. 将材料尺寸和材料表面的突起结构的尺寸进行等比例缩小，得到缩比材料参数；
所述缩比材料参数包括：突起结构的边长r1；
S30. 根据步骤S20获得的缩比材料参数进行建模；
所述建模包括建立材料表面模型和撞击液滴模型；
S40. 采用步骤S30所构建的材料表面模型和撞击液滴模型进行分子动力学模拟，得到模拟临界速度V1；
S50. 根据以下公式计算材料表面的临界速度V：
其中，PWH，PD，PC，PL分别为临界速度下液滴撞击在表面时的水锤压力，动态压力，毛细压力以及拉普拉斯压力；L和L1分别为宏观尺度下设定的撞击液滴的半径以及撞击液滴模型建模时设定的撞击液滴的半径。
2.根据权利要求1所述的一种材料表面抗润湿性能的评估方法，其特征在于，步骤S20中，将材料尺寸和材料表面的突起结构的尺寸进行等比例缩小后，突起结构的尺寸为0.01-100nm。
3.根据权利要求1所述的一种材料表面抗润湿性能的评估方法，其特征在于，所述宏观参数还包括：突起结构之间的间距d，突起结构的高度h，所述缩比材料参数还包括：突起结构之间的间距d1，突起结构的高度h1。
4.根据权利要求3所述的一种材料表面抗润湿性能的评估方法，其特征在于，步骤S20中将材料尺寸和材料表面的突起结构的尺寸进行等比例缩小时，所述突起结构的面积分数在缩比前后相等；所述突起结构的面积分数为：所有突起结构占据整个材料表面面积的百分比。
5.根据权利要求4所述的一种材料表面抗润湿性能的评估方法，其特征在于，所述宏观参数还包括：液滴在材料表面的静态接触角θ；所述液滴在材料表面的静态接触角θ在步骤S20中保持不变。
6.根据权利要求5所述的一种材料表面抗润湿性能的评估方法，其特征在于，撞击液滴模型建模时设定的撞击液滴的半径L1取值为50-100nm。
7.根据权利要求1-6任一所述的一种材料表面抗润湿性能的评估方法，其特征在于，步骤S40包括：
根据初始设置的撞击速度计算液滴撞击材料表面后的最大陷入深度D；
若
，则增大撞击速度；
直到
时，此时的撞击速度记为模拟临界速度V1；其中，D0为液滴在材料表面的初始高度。
8.根据权利要求7所述的一种材料表面抗润湿性能的评估方法，其特征在于
，
，
， 
；
其中，ρ是水的密度，k是水锤压力系数，C是水中的声速，γ是液滴的表面张力，θ是液滴在材料表面的静态接触角，
是突起结构的面积分数。
9.根据权利要求8所述的一种材料表面抗润湿性能的评估方法，其特征在于，所述突起结构为圆柱时，边长为所述圆柱结构的直径。
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Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN117350087A (zh) * | 2023-12-05 | 2024-01-05 | 四川大学 | 一种细菌灭杀作用获取方法及纳米柱结构设计方法 |
| CN117350087B (zh) * | 2023-12-05 | 2024-02-27 | 四川大学 | 一种细菌灭杀作用获取方法及纳米柱结构设计方法 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN115101134B (zh) | 2024-04-19 |
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