【摘 要】
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液体弹珠是一种将粒径为微米或纳米级的疏水颗粒包裹液体形成的软物质,由于其具有不润湿性、高弹性、低摩擦、蒸发缓慢、外部环境交互性等优良的物理性能,在近些年被广泛研究,并作为微型反应器、传感器和数字微流体平台应用于实际工程中,对液体弹珠的动态力学特性测量方法的研究有利于更好地指导实际应用。鉴于目前对液体弹珠弹性力学的研究主要在准静态条件下,且对运动摩擦力缺少系统的理论论述和实验证明,因此本文以动态压力
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液体弹珠是一种将粒径为微米或纳米级的疏水颗粒包裹液体形成的软物质,由于其具有不润湿性、高弹性、低摩擦、蒸发缓慢、外部环境交互性等优良的物理性能,在近些年被广泛研究,并作为微型反应器、传感器和数字微流体平台应用于实际工程中,对液体弹珠的动态力学特性测量方法的研究有利于更好地指导实际应用。鉴于目前对液体弹珠弹性力学的研究主要在准静态条件下,且对运动摩擦力缺少系统的理论论述和实验证明,因此本文以动态压力下的液体弹珠弹性特性以及固体平面上的运动摩擦阻力为研究对象,提出了基于大尺寸悬臂梁配合激光干涉原理的弹性力测量系统以及基于图像处理的摩擦力测量方法。本论文的主要研究工作如下:1.以微流体操控为研究背景,理论分析液体弹珠的动态力学特性。建立适用于不同压缩阶段的液体弹珠几何模型,推导弹性力理论公式。研究液体弹珠在固体平面上的运动摩擦阻力发生机制,从能量角度分析摩擦力的影响因素。测量不同体积与不同材质液体弹珠的几何参数,与液滴进行对比并分析形态特点。2.完成动态负载力下液体弹珠弹性力测量装置的激光测量模块、压缩进程模块和操作控制上位机的设计和搭建,分析研究对象和测量的精度要求,设计悬臂梁的尺寸参数并进行刚度标定。设计液体弹珠在固体平面上的运动摩擦力测量装置,利用高速相机采集液体弹珠运动轨迹,提出基于Hough变换圆检测和混合高斯背景建模的两种图像处理算法提取液体弹珠的位置坐标。3.测量液体弹珠的弹性力和运动摩擦阻力。分析体积、有效表面张力、包裹颗粒的物性以及内芯液体的粘度对液体弹珠能够承受的最大压缩量,破裂时产生的最大弹性力以及运动摩擦力产生机制的影响。进行重复性实验,验证测量系统的可靠性,测量结果的合成相对标准不确定度分别为2.039%和2.567%。
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