[发明专利]一种通过弹性悬臂梁控制液滴撞后运动轨迹的方法

说明书

本发明涉及液滴撞击技术领域，公开了一种通过弹性悬臂梁控制液滴撞后运动轨迹的方法，包括以下步骤：步骤一、弹性材料选择；步骤二、弹性材料表面处理；步骤三、实验装置构建；步骤四、液滴撞击；步骤五、撞击过程和撞后行为分析。本发明通过控制液滴撞击弹性悬臂梁的撞击条件，如材料的抗弯刚度、亲疏水特性、倾斜角度以及水滴在悬臂梁上撞击位置、撞击速度等条件，实现了液滴撞后运动方向和轨迹可控，该方法操作简单，成本低，效果好，可应用于智能传感器、定向打靶、柔性机器人和能量收集等领域。

技术领域

本发明涉及液滴撞击技术领域，具体涉及一种通过弹性悬臂梁控制液滴撞后运动轨迹的方法。

背景技术

液滴撞击固体表面现象广泛存在于自然界和日常生活中并应用广泛，如喷墨打印、发电、自清洁、防结冰、农药喷洒等，因此在液滴与固体表面接触后如何操纵液滴是至关重要的。降雨是一个自然过程，为植物提供生命所需水和营养物质的同时也有助于叶面病原体的扩散，对全世界粮食产量造成很大的影响。在自然界中，大多数植物叶片具有弹性、可弯曲并具有回弹性，呈单端固定、悬空而立，随风而动，液滴在这样一种薄的、弹性悬臂梁上的撞击现象非常普遍。

液滴撞击在二维固定刚性基底后的取向运动研究有很多，例如：通过控制表面浸润性梯度、表面电荷梯度、表面微结构梯度、曲率梯度、添加磁场梯度等。但是，通过控制液滴撞击弹性悬臂梁来控制撞后的取向运动的研究却才刚刚开始。本发明中液滴撞击在弹性超疏水悬梁臂上，通过控制液滴撞击弹性悬臂梁的撞击条件，如材料的抗弯刚度、亲疏水特性、倾斜角度以及液滴在悬臂梁上撞击位置、撞击速度等条件和悬臂梁的倾斜角度，实现任意方向上的可控取向弹跳运动，实现大范围3D空间上的运动可控，即实现撞击条件大幅度、大方向灵活操纵液滴撞后行为。这种方法为精确控制液滴撞后行为提供了一种新的有效策略，在智能传感器、定向打靶、柔性机器人和能量收集等领域具有重要的应用价值。

发明内容

本发明提供一种控制液滴撞后运动轨迹的方法，该方法操作简单、成本低，通过弹性材料性能及撞击条件等来操纵液滴撞后运动轨迹的目的。

本发明的目的通过如下技术方案实现：

一种通过弹性悬臂梁控制液滴撞后运动轨迹的方法，包括以下步骤：

步骤一、弹性材料选择：选择可弯曲并有回弹性、薄膜型的弹性材料；

步骤二、弹性材料表面处理：通过对弹性材料进行表面粗糙度构筑和表面修饰得到超疏水弹性材料；

步骤三、实验装置构建：将步骤二所得的超疏水弹性材料一端固定在玻璃片上，另一端悬空，之后将玻璃片通过夹具固定在一个角度调节器上，得到倾斜角度可调的弹性悬臂梁基底；再将角度调节器放置在三维平台上；注射器位于弹性悬臂梁悬臂上方，调节光源和高速摄像机位置，使得高速摄像机能够清晰拍摄液滴撞击弹性悬臂梁及液滴撞后的运动轨迹，撞击实验装置示意图如图1所示；

步骤四、液滴撞击：控制室内温度、压强，将注射器夹在注射泵上，调节弹性悬臂梁倾斜角度，控制液滴高度和液滴撞击弹性悬臂梁的位置，开启高速摄像机，拍摄液滴从开始撞击弹性悬臂梁表面前到最后弹落出界面的过程；

步骤五、撞击过程和撞后行为分析：分解高速摄像机拍摄的视频，总结液滴撞击弹性悬臂梁的接触时间、接触线、以及撞后液滴运动轨迹的变化。

进一步地，所述液滴包括表面张力比较高的水滴、无机盐水溶液的液滴、离子液体的液滴或含少量表面活性剂和聚合物的水溶液液滴等，表面张力应大于60mN/m。

进一步地，步骤一中所述弹性材料包括但不限于尼龙布、纸片、聚四氟乙烯、弹性薄膜类，弹性模量范围为122-1680Mpa。

进一步地，步骤二中所述超疏水弹性材料表面接触角大于140°。

进一步地，步骤二中弹性材料表面超疏水处理包括但不限于采用二氧化硅、正己烷或氟硅烷溶液对选取的弹性材料进行修饰或涂敷。