Способ бесконтактного фрактального контроля шероховатости гидрофобной поверхности
HYDROPHOBIC SURFACE ROUGHNESS CONTACTLESS FRACTAL CONTROL METHOD

Изобретение относится к средствам контроля микронеровностей поверхностей, полученных в результате воздействия машиностроительных технологических операций на шероховатую гидрофобную поверхность, например парафин, воск, огнеупоры и т.п.
Известен способ контроля шероховатости поверхности диэлектрических подложек по патенту RU №2331870 С2 от 17.07.2006, опубл. 20.08.2008, МПК G01N 21/88, заключающийся в том, что исследуемую поверхность подложки очищают плазмохимическим травлением в среде инертного газа при режимах, не допускающих распыление материала подложки. Сразу после очистки подложку располагают горизонтально и на ее поверхность с высоты не менее 6 мм и не более 22 мм наносят каплю жидкости фиксированного объема. Определяют время растекания капли жидкости по поверхности подложки от момента касания капли жидкости поверхности подложки до прекращения движения жидкости по поверхности. Шероховатость контролируемой поверхности подложки определяют путем сопоставления полученного значения времени растекания капли жидкости по поверхности подложки с предварительно замеренной калибровочной зависимостью.
Недостатком данного способа является ограничение его применения для поверхностей из гидрофобных материалов.
Наиболее близким по своей технической сущности к предлагаемому изобретению является способ фрактального контроля шероховатости поверхности по патенту RU №2601531 С2 от 28.11.2014, опубл. 10.11.2016, МПК G01B 11/30, G01N 21/88, заключающийся в том, что исследуемую поверхность очищают плазмохимическим травлением в среде инертного газа при режимах, не допускающих распыление материала исследуемой поверхности, сразу очистки на поверхность наносят жидкость в виде капли фиксированного объема. Посредством скоростной цифровой видеокамеры регистрируют момент окончания растекания капли жидкости, после чего определяют периметр и площадь растекшейся капли и убирают скоростную цифровую видеокамеру, затем над каплей устанавливают импульсный источник света и производят кратковременный световой импульс. Убирают импульсный источник света и видеокамерой регистрируют момент окончания растекания капли жидкости, нагретой световым импульсом, после чего определяют периметр и площадь растекшейся капли, нагретой световым импульсом. По полученным данным определяют фрактальную размерность исследуемой шероховатой поверхности.
Недостатком данного способа является ограничение его применения для поверхностей из гидрофобных материалов.
Поставлена задача: обеспечить возможность бесконтактного контроля шероховатости поверхности из гидрофобных материалов, расширив при этом диапазон исследуемых материалов.
a
Решение поставленной задачи достигается тем, что исследуемую гидрофобную поверхность очищают плазмохимическим травлением в среде инертного газа при режимах, не допускающих распыление материала исследуемой поверхности, сразу после очистки на поверхность наносят жидкость в виде капли фиксированного объема, посредством скоростной цифровой видеосъемки дважды регистрируют время растекания капли жидкости фиксированного объема по исследуемой гидрофобной поверхности и в моменты прекращения растекания капли жидкости фиксированного объема определяют периметр и площадь растекшейся капли жидкости, затем определяют шероховатость исследуемой поверхности, согласно заявляемому изобретению вторая регистрация периметра и площади растекшейся капли жидкости фиксированного объема осуществляется после того, как посредством источника колебаний с управляемой частотой исследуемой гидрофобной поверхности с растекшейся по ней каплей сообщают колебания амплитудой, соизмеримой с предполагаемым параметром R (микрорельефом) исследуемой гидрофобной поверхности и частотой, изменяющейся по линейному закону, при этом увеличение частоты происходит до тех пор, пока не прекратится растекание капли жидкости фиксированного объема; по полученным данным определяется фрактальная размерность D исследуемой шероховатой поверхности:
a
длина1
длина2
D=2⋅log(G/G).
а
площадь1
площадь2
длина1
длина2
площадь1
площадь2
Здесь =(G/G), где G - периметр растекшейся капли во время первой регистрации видеокамерой; G - периметр растекшейся капли во время второй регистрации видеокамерой; G - площадь растекшейся капли во время первой регистрации видеокамерой; G - площадь растекшейся капли во время второй регистрации видеокамерой.
Сущность изобретения поясняется чертежом, где представлена блок-схема устройства для бесконтактного фрактального контроля шероховатости гидрофобной поверхности. Устройство состоит из источника света 1, регулируемого источника 2 питания источника света 1, дозатора 3 капель рабочей жидкости, направляющей иглы 4 дозатора 3 капель рабочей жидкости, скоростной видеокамеры 5, записывающего устройства 6, исследуемой гидрофобной поверхности 7, источника колебаний 8 с управляемой частотой, капли 9 жидкости фиксированного объема.
Способ осуществляется следующим образом.
a
Исследуемую гидрофобную поверхность 7 очищают плазмохимическим травлением в среде инертного газа при режимах, не допускающих распыление материала исследуемой гидрофобной поверхности 7, сразу после очистки на исследуемую гидрофобную поверхность 7 наносят каплю 9 жидкости фиксированного объема, затем скоростной цифровой видеокамерой 5 регистрируют время растекания капли 9 жидкости фиксированного объема по исследуемой гидрофобной поверхности 7 и определяют шероховатость исследуемой гидрофобной поверхности 7. Для этого предварительно посредством скоростной цифровой видеокамеры 5 регистрируют момент окончания растекания капли 9 жидкости фиксированного объема, после чего определяют периметр и площадь растекшейся капли 9 фиксированного объема, затем исследуемой гидрофобной поверхности 7 и растекшейся на ней капли 9 жидкости фиксированного объема сообщают колебания посредством источника колебаний 8 с управляемой частотой. При этом амплитуда колебаний соизмерима с предполагаемым параметром R (микрорельефом) исследуемой гидрофобной поверхности, а частота колебаний изменяется по линейному закону. Увеличение частоты колебаний происходит до тех пор, пока не прекратится растекание капли 9 жидкости фиксированного объема. Момент прекращения растекания капли 9 жидкости фиксированного объема на колеблющейся исследуемой гидрофобной поверхности 7 регистрируется скоростной цифровой видеокамерой 5; затем определяют периметр и площадь растекшейся капли 9 жидкости фиксированного объема. По полученным данным определяют фрактальную размерность D исследуемой гидрофобной поверхности:
a
длина1
длина2
D=2⋅log(G/G).
а
площадь1
площадь2
длина1
длина2
площадь1
площадь2
Здесь =(G/G), где G - периметр растекшейся капли во время первой регистрации видеокамерой; G - периметр растекшейся капли во время второй регистрации видеокамерой; G - площадь растекшейся капли во время первой регистрации видеокамерой; G - площадь растекшейся капли во время второй регистрации видеокамерой.
В результате придания колебаний капле 9 жидкости фиксированного объема на исследуемой гидрофобной поверхности связь между молекулами жидкости капли 9 фиксированного объема ослабляется [Лебеденев-Степанов П.В., Карабут Т.А., Чернышев Н.А., Рыбак С.А. Исследование формы и устойчивости капли жидкости на вращающейся подложке /Акустический журнал, 2011, т. 57, №3. - с. 323-328; Ni Y., Gruenbaum S.M., Skinner J.L. Slow hydrogen-bond switching dynamics at the water surface revealed by theoretical two-dimensional sum-frequency spectroscopy /PNAS, 2013, February 5, v. 110, no. 6. - p. 1992-1998; Борисов B.T., Черепанов A.H., Предтеченский M.P., Варламов Ю.Д. Влияние смачиваемости на поведение жидкой капли после ее соударения с твердой подложкой // Прикладная механика и техническая физика. 2003, т. 44, №6. - с. 64-69; Коренченко А.Е., Исаков Д.С.Численное исследование вынужденных колебаний жидкой капли на вибрирующей подложке /Вестн. Южно-Ур. ун-та. Сер. Матем. Мех. Физ., 2014, т. 6, вып. 4 - с. 26-31].
Метод определения фрактальной размерности основан на подсчете соотношения между периметром и площадью растекшейся капли. Такое соотношение применяют для оценки размерности фрактальной кривой, ограничивающей исследуемую область. Согласно фрактальной геометрии [Мандельброт Б. Фрактальная геометрия природы. - М.: Институт компьютерных исследований, 2002. - 656 с] такая зависимость определяется законом Мандельброта:
длина
площадь
2
Здесь G - длина кривой (периметр капли), измеренная с шагом G, G - площадь, ограниченная кривой (площадь капли), измеренная с шагом G, D - фрактальная размерность рассматриваемой разветвленной структуры, Сη - типичный во фрактальной геометрии неопределенный множитель.
По результатам двух измерений периметра растекшейся капли 9 фиксированного объема получаем систему двух уравнений:
длина1
длина2
площадь1
площадь2
где G - периметр растекшейся капли во время первой регистрации видеокамерой; G - периметр растекшейся капли во время второй регистрации видеокамерой; G - площадь растекшейся капли во время первой регистрации видеокамерой; С - площадь растекшейся капли во время второй регистрации видеокамерой.
Из системы уравнений (2) следует, что
а
площадь1
площадь2
где основание логарифма =(G/G).
В этом случае изменение связи между молекулами жидкости капли 9 фиксированного объема до придания ей колебаний и после придания колебаний может рассматриваться как изменение шага покрытия при определении фрактальной размерности.
Геометрия растекшейся капли 9 жидкости фиксированного объема регистрируется посредством скоростной видеокамеры 5 и записывающего устройства 6. Затем определяется периметр и площадь растекшейся капли 9 жидкости фиксированного объема путем использования методов цифровой обработки изображений [Сойфер В.А. Методы компьютерной обработки изображений. М.: Физматлит, 2003. - 784 с.].
a
Экспериментально установлено, что при амплитуде колебаний источника колебаний 8 с управляемой частотой, приближающейся к предполагаемому среднему размаху R между впадинами и вершинами микронеровностей (микрорельефу) исследуемой гидрофобной поверхности [ГОСТ 2789-73 Шероховатость поверхности. Параметры и характеристики], имеет место наибольшая точность заявляемого способа.
a
Частота колебаний источника колебаний 8 с управляемой частотой изменяется по линейному закону от 30 до 400 Гц. Диапазон частот определен экспериментально для шероховатых гидрофобных поверхностей с микрорельефом R от 1,25 до 0,1 мкм. Собственные частоты капли 9 жидкости фиксированного объема принадлежат частотному диапазону от 0 до 100 Гц [Коренченко А.Е., Исаков Д.С. Численное исследование вынужденных колебаний жидкой капли на вибрирующей подложке, Вестн. Южно-Ур. ун-та. Сер. Матем. Мех. Физ., 2014, т. 6, вып. 4, с. 26-31].
a
Время воздействия вибраций на исследуемую гидрофобную поверхность 7 с микрорельефом R составляло не менее 30 с. При использовании времени сообщения колебаний исследуемой гидрофобной поверхности 7, меньшего 30 с, зафиксированы случаи, когда капля 9 жидкости фиксированного объема на исследуемой гижрофобной поверхности 7 не растекалась.
Эксперименты показали, что капля 9 жидкости фиксированного объема хорошо растекается, когда период сообщаемых исследуемой гидрофобной поверхности колебаний приближается к шаговому параметру Sm [ГОСТ 2789-73] на фрагменте исследуемой гидрофобной поверхности.
Экспериментально установлено, что начиная с некоторой частоты колебаний, сообщаемой исследуемой гидрофобной поверхности 7, растекание капли 9 жидкости фиксированного объема прекращается. Эта частота определяется шероховатостью исследуемой гидрофобной поверхности 7, ее материалом, свойствами жидкости и объемом капли 9.
a
Пример. В качестве исследуемой гидрофобной поверхности использованы пластины из фторопласта марки 4 (ГОСТ 10007-80) размером 5×40×80 мм. Параметр шероховатости R на 4-х пластинах составил, соответственно: 1,31 мкм; 0,94 мкм; 0,86 мкм; 0,6 мкм. Контроль шерховатости исследуемой гидрофобной поверхности осуществлен на приборе профилометре-профилографе ПМ2-100 производства ООО «Микроавтоматика» (г. Пенза), крепление пластин на вибраторе осуществлено механическим путем (прижимами). В качестве жидкости для капли фиксированного объема использована дистиллированная вода. Жидкость капли выбирается, исходя из свойств исследуемой гидрофобной поверхности. Для регистрации момента окончания растекания капли фиксированного объема использовалась скоростная цифровая видеокамера VS-FAST со скоростью 1000 кадров/с. В качестве источника вибраций использован вибрационный стенд Lansmont 1000 [http://blms.ru/ispytaniya_nа_vibraciyu].
Фрактальная размерность уровня шероховатости исследуемой поверхности по формуле (3) составила 1,28.
Заявляемый способ может также использоваться для контроля шероховатых поверхностей сверхгидрофобных материалов. [Kaplan, J., Grinstaff, М. Fabricating Superhydrophobic Polymeric Materials for Biomedical Applications. J. Vis. Exp. (102), e53117, doi: 10.3791/53117 (2015)].