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基于光谱共焦扫描原理的固液界面检测方法研究

基于光谱共焦扫描原理的固液界面检测方法研究

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作者：蒋奕阳中国计量大学

学位级别：硕士

随着微纳机械和电子制造技术的快速发展,微纳器件的尺寸不断减小。在微纳流体器件领域,其尺度效应成为急需解决的问题。在微观条件下,微通道内固液界面上流体阻力的存在会影响到液体的输运效率,从而成为限制其发展的瓶颈因素。有赖于界... 详细信息

随着微纳机械和电子制造技术的快速发展,微纳器件的尺寸不断减小。在微纳流体器件领域,其尺度效应成为急需解决的问题。在微观条件下,微通道内固液界面上流体阻力的存在会影响到液体的输运效率,从而成为限制其发展的瓶颈因素。有赖于界面科学的发展,特别是固液界面微观特性对表面润湿性的作用机理方面的解释。在宏观条件下,针对表面润湿性在航空航天、生物材料、建筑管材等领域的应用中性能提高受到限制的问题,研究固液界面三相接触状态状态机理成为可行的解决方案。由于固液界面具有难于探测的问题,利用传统的X射线探测方法只能获得二维结构。本文将光谱共焦层析扫描技术引入固液界面形貌探测中,获取固液界面的三维几何参数,在此基础上构建高精度固液界面轮廓。论文的具体研究工作如下:(1)针对实际微观固液界面还没有接触角预测公式的问题,提出了固液界面三相接触状态稳定性模型,讨论了微结构轮廓参数对三相接触状态稳定性的影响,为设计不同种类的超疏液微结构提供理论指导。同时用光刻刻蚀法和喷射涂布法结合制备了超疏水样本。(2)利用光谱共焦传感器和高精度二维位移平台,构建三相接触状态三维几何参数测量装置。针对液气界面识别困难的问题,提出了液体染色的解决方法。编写控制软件,使用连续扫描,软件触发的扫描方案,设计了一种固液界面的扫描方法,从而得到三相接触状态的三维几何参数,以此达到直观研究微观尺度下固液气三相接触状态的目的。同时通过实验验证扫描装置符合扫描的精度要求。(3)扫描得到三相接触状态三维轮廓数据集后,针对测量过程中产生的噪音、数据孔洞等问题,使用参数自适应双边滤波法数据进行滤波处理,解决误差对拟合精度的影响,使用移动最小二乘拟合算法平滑图像,并实现固液界面三相接触状态的三维形貌重建。实验结果表明,样本表面生成典型形状的三相接触状态单元,搭建的三相接触状态三维几何参数测量装置能够获得获取固液界面的三维轮廓。本文研究成果可以用于完善超疏液表面固气界面和液气界面状态理论模型,使得对固液气三相接触状态及演变规律的描述更加准确。有利于研究固液界面三相接触状态尺寸的影响因素和机理,以此进一步深化表面润湿性能的理论研究,促进超疏液表面在现代机械科学等诸多领域的交叉融合和广泛应用,具有重要理论意义和工程应用价值。

关键词：光谱共焦超疏液表面固液界面三相接触状态三维几何参数

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