阅读说明：本技术 一种适用于超疏水表面的观测实验装置 (Observation experiment device suitable for super hydrophobic surface ) 是由 郑腾飞 李园 王朝晖 于 2020-05-19 设计创作，主要内容包括：本发明为一种适用于超疏水表面的观测实验装置,包括彼此配合的流道装置,观测装置和测试表面3个部分；流道用透明材料PDMS制造,开放一端通过连接的注射泵提供去离子水,经过较长的整流区后,以稳定的流量进入测试区。测试区流道顶端开有压力孔,连接的压力表和流道另一端压力阀配合可以实时监测和控制流体压力。测试区两端配置有光源和高速相机,能捕获发生在测试表面上的流体流动和气层变化情况。测试表面和流道的制备技术都较成熟,可以按不同参数多套制备。所述测试实验装置能实现通过实验来研究不同压力梯度和表面结构参数对超疏水表面气层稳定性和减阻效率的影响情况。(The invention relates to an observation experiment device suitable for a super-hydrophobic surface, which comprises 3 parts, namely a flow channel device, an observation device and a test surface, which are matched with each other; the flow channel is made of transparent PDMS, and the open end of the flow channel is provided with deionized water through a connected injection pump, and the deionized water enters the test area at a stable flow rate after passing through the longer rectifying area. The top end of the flow passage of the test area is provided with a pressure hole, and the pressure meter connected with the pressure hole is matched with a pressure valve at the other end of the flow passage to monitor and control the pressure of the fluid in real time. The test area is configured with a light source and a high speed camera at both ends to capture fluid flow and air layer changes occurring on the test surface. The preparation technology of the test surface and the flow channel is mature, and multiple sets of the test surface and the flow channel can be prepared according to different parameters. The test experimental device can study the influence of different pressure gradients and surface structure parameters on the stability of the super-hydrophobic surface gas layer and the resistance reduction efficiency through experiments.)

一种适用于超疏水表面的观测实验装置

技术领域

本发明属于应用微纳制造技术领域，特别涉及一种适用于超疏水表面的观测实验装置。

背景技术

应用微纳制造技术，将传感器等器件集成在微小的体积内，可以实现实验系统的微型化和低成本化。尤其是流体系统的实验装置，采用微纳制造技术形成的测试系统更有利于实现仪器的自动化、微型化。

浸没式超疏水(SHPo)表面的微结构中的空气层使液体能够在表面上滑动，从而降低了阻力。然而，表面保留的空气层的不稳定性阻碍了这种表面在实际中的应用。因此需要研究各种影响因素对气层不稳定性的影响。但是，大多数以前的研究仅考虑在压力近乎均匀的条件下，已定结构的超疏水表面收到空气扩散，冷凝等因素的影响。实际上超疏水表面在应用中不可避免地要承受不均匀的压力条件，表面结构的设计也是影响实际应用效果的主要因素，因此，目前的研究和观测实验都存在着不足。

发明内容

本发明的目的在于提供一种适用于超疏水表面的观测实验装置，以解决上述问题。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种适用于超疏水表面的观测实验装置，包括流道装置、观测装置和待测表面；观测装置设置在流道装置的侧面，待测表面设置在流道装置的底部；流道装置包括长直流道、注射泵、控制阀和压力孔；长直流道不配置下表面，待测表面设置在长直流道的下表面处，长直流道的两端分别为流道进水口和流道出水口，注射泵设置在流道进水口处，控制阀设置在流道出水口处；长直流道分为整流区和测试区，若干压力孔设置在测试区域的流道顶部，压力孔上均设置有压力抽头，压力表和压差表连接在压力抽头上；观测装置包括发射器和接收器，发射器和接收器分别配置在测试区的两侧。

进一步的，长直流道为方形，口径尺寸为1mm*1mm；长直流道和待测表面使用的材料为聚二甲基硅氧烷。

进一步的，待测表面上有宽度为200μm的脊结构，将待测表面隔开成两个分区，长直流道的整流区长度为13cm，长直流道的测试区长度为8cm。

进一步的，发射器包括激光光源和光扩散器；激光光源上设置有光扩散器。

进一步的，接收器包括高速相机和10x物镜；10x物镜设置在高速相机上。

进一步的，待测表面为不同宽度的沟壑；待测表面的气体分数都选为50％，沟壑结构深度为50μm。

进一步的，压力孔的个数为三个，压差表连接在测试区两段的压力抽头上，压力表连接在测试区中间的压力抽头上。

与现有技术相比，本发明有以下技术效果：

本发明的测试实验装置可以用流道一端的注射泵向流道内供应去离子水，通过另一端连接的压力阀调节水压值。整流区设置得足够的长，确保了针对测试的实验流量条件尽量稳定。连接在测试区两端压力抽头上的压差表和连接在中间部分压力抽头上的压力表可以实时测试水压和压力降。观测装置配置的光扩散器和高倍物镜，有利于高速相机捕获位于沟槽中的气体层的动态运动。通过观测装置观察和记录测试表面的情况，实现了水压梯度对SHPo表面稳定性和减阻效果影响效果的测量和研究。

本发明的测试实验装置的主体流道都是由PDMS制造的，流道模具是由3D打印技术制造的，测试表面模具由光刻工艺制造。这两种技术都比较成熟，模具和器件都可以实现多套制作。制作的待测表面的结构参数可以自行设置，可以做几组不同的结构间距作为待测参数，通过观测实验可以探究结构参数的影响机理。在实验中，透明材料的流道也有利于实时观察SHPo表面情况。对于实时调控压力和实验观测都是有利的。

附图说明

图1为实验装置的示意图；

图2为测试区的侧视图；

图3为测试区的剖面图；

图4为待测表面的结构设计示意图。

其中：1为长直流道；2为注射泵；3为流道进水口；4为流道出水口；5为压力阀；6为压力孔；7为激光光源；8为光扩散器；9为高速相机；10为10x物镜；11为测试表面。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详细描述：

本发明适用于超疏水表面的观测实验装置，由彼此配合的流道装置，观测装置和测试表面3个部分组成。

参见图1。长直流道1为一条方形长直流道。流道左端开放，为流道进水口3，注射泵2连接在流道进水口3上。流道右端合闭，开一个小孔为流道出水口4，流出水管上设置压力阀5。流道被分为两个部分，以第一个压力孔6为界，进水口到压力孔处为整流区，压力孔后为测试区。测试区的一侧设置有激光光源7，光源前安装有光扩散器8。测试区另一侧设置有高速相机9，高速相机9配备有10x的物镜10，测试表面11与流道1配合，作为流道1的下底面。

在本发明的较佳实施例中。流道1的模具是使用3D打印机用光敏树脂制成的。制成模具后，用主剂SYLGUARD-184A与硬化剂SYLGUARD-184B以质量比10：1比例混合均匀制备PDMS溶液后，利用抽真空的方式使混合液中的气泡浮至表面并破裂，将溶液倒在模具上，再放入120度的烘箱中固化一小时，流道的固化中，一侧保持开放状态。

参见图2。测试区流道顶部设置有3个压力孔6，每个压力孔有配套的压力抽头。压力孔分别位于测试区的两端和中间。位于中间的压力抽头连接有一个压力表(12)。位于两端的压力抽头分别连接一个压差表(13)的两个探头。测试区流道底部是测试表面11。

参见图3。测试区流道底部是测试表面11，测试表面11为具有沟槽阵列的SHPo表面。

参见图4。测试表面11的主要结构是沟槽的阵列，阵列图形被一个脊结构分割为两个图形区域。脊结构的位置在测试区的中间。

在本发明的较佳实施例中。测试表面11的模具是将光刻工艺应用于硅晶片制成的。测试表面11的图形设计为栅格的阵列。图形区宽度等于流道1的宽度，长度等于流道1的测试区长度。阵列的沟槽被一个宽度为200μm的脊结构分隔为两个区域。光刻中，沟槽的深度固定为50μm，气体分数固定为50％，这里讲的气体分数实际上表征的是沟槽结构的间距，50％表示沟槽结构的间距等于沟槽的宽度。测试表面11的制备也是通过相同的PDMS溶液，抽真空后涂覆在硅片上，放入120度的烘箱中固化一小时。通过使用氧等离子体处理，将制备的SHPo表面结合至一侧开放的方形通道上。结合完成后，阵列沟槽表面与流道1的测试区嵌合，位置如图2图3所示。被脊结构分隔的两个区域分别位于3个压力孔之间。