(19)国家知识产权局 (12)发明 专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请 号 202210904594.3 (22)申请日 2022.07.29 (71)申请人 上海交通大 学 地址 200240 上海市闵行区东川路80 0号 (72)发明人 刘晓晶　许巍　欧阳琨　何辉　 熊进标　 (74)专利代理 机构 上海交达专利事务所 31201 专利代理师 王毓理　王锡麟 (51)Int.Cl. G06F 30/20(2020.01) G06F 30/10(2020.01) G06T 7/00(2017.01) G06T 7/13(2017.01) (54)发明名称 多层级板状元件不规则表面微结构的接触 角预测方法 (57)摘要 一种多层级板状元件不规则表面微结构的 接触角预测方法， 通过将判断待测试样表面的表 面形貌图转变为灰度图像后， 使用边缘提取算法 提取出不规则分形结构的边缘并转化为二值矩 阵， 再通过MATLAB中的fraclab工具箱将二值矩 阵转化为分形维数结果后代入改进的接触角 模 型中， 得到预测的多层级或不规则结构表面接触 角， 本发明通过对多层级或者不规则的结构表面 接触角的预测， 进一步预测表面换热特性， 从而 为板状燃料元件反应堆或板式换热器等实际应 用中用于增强换热的表面多层级微结构的选择 以及腐蚀对表面换热特性的具体影响程度提供 判断依据。 权利要求书1页 说明书4页 附图3页 CN 115238511 A 2022.10.25 CN 115238511 A 1.一种多层级板状元件不规则表面微结构的接触角预测方法， 其特征在于， 包括以下 步骤： 步骤1、 判断待测试样表面是否具有多层级或不规则结构， 得到表面形貌图以及相应尺 寸参数； 步骤2、 将表面形貌图转变为灰度图像后， 使用边缘提取算法提取出不规则分形结构的 边缘并转化为二值矩阵， 再通过MATLAB中的fr aclab工具箱将二值矩阵转化为分形维数结 果； 步骤3、 将得到的分形维数结果代入改进的接触角模型中， 得到预测的多层级或不规则 结构表面接触角， 并进一步对其换热特性进行预测， 将预测结果用于板状燃料元件反应堆 或板式换热器的增强换热的表面多层级微结构的选择以及腐蚀对表面换热特性的具体影 响程度提供判断依据。 2.根据权利要求1所述的多层级板状元件不规则表面微结构的接触角预测方法， 其特 征是， 所述的判断， 具体是指： 当仅具有规则结构， 则使用现有接触角模 型进行预测； 当具有 多层级或不规则结构， 则使用激光共聚焦显微镜对待测试样表面进行表征， 得到表面形貌 图以及相应尺寸 参数。 3.根据权利要求1所述的多层级板状元件不规则表面微结构的接触角预测方法， 其特 征是， 所述的改进的接触角模型包括： WENZEL状态的接触角模型 CASSIE状态的 接触 角模型 其中： θf为分形表面的接触角， θY为杨氏接触角， 可由表面 张力系数计算得到或测量得到， fs与fv分别代表材料表面固液接触面积分数与气液接触面 积分数。 4.根据权利要求1所述的多层级板状元件不规则表面微结构的接触角预测方法， 其特 征是， 所述的力平衡法具体为： 对于具有规则微结构的表面， 常用力平衡法分析微结构对表 面接触角的影响； 此处用规则微孔结构 举例， 当液滴落在微孔结构表面时， 在微孔边缘会存 在着一圈固液气三相交界线； 对三相交界线处受到的三种表面张力进 行受力分析即可得到 具有规则微结构的材料表面接触角的大小， 具体为： 水平方向力平衡满足(a+b)γSL＝‑(a+ b)γLVcosθs+aγSV， 代入杨氏公式化简后得到 其中： b为微孔孔 径， a为相邻 两孔之间的距离， θS为微结构表面的表观接触角； θY为杨氏接触角， 即无微结构 光滑材料表面的表 观接触角； γSV为固体表面张力系数。权　利　要　求　书 1/1 页 2 CN 115238511 A 2多层级板状元件不规则表面微结构的接 触角预测方 法 技术领域 [0001]本发明涉及的是一种表面微结构领域的技术， 具体是一种基于分形维数的多层级 板状元件不 规则表面 微结构的接触角预测方法。 背景技术 [0002]材料表面的微结构能够改变材料本身的接触角， 从而影响材料的传热特性。 但是 由于金属元件表面微结构尺度太小通常为微米级， 部分加工方法， 例如激光加工等加工出 来的微结构加工精度并不能做到很高， 导致微结构表面、 内部都会存在一些激光烧蚀的不 规则结构， 这样会导致与规则的微结构试样存在差异。 此外， 对于部 分平整的微结构表面试 样， 在实际运行过程中由于受到腐蚀、 氧化的影响， 也会导致其表 面生成很多 金属氧化物颗 粒覆盖在微结构表面， 使得原本规则的微结构表面同样会变成不 规则的分形表面。 [0003]现有的力平衡等分析方法仅能针对确定尺寸的规则微结构分析其对材料表面接 触角的影响， 进而分析其对于传热特性的影响。 然而实际中经常会遇到结构不规则的微结 构加工表 面， 或者发生腐蚀、 氧化等行为(通常针对金属、 合金基体材料)从而造成表面结构 变得不规则， 并且形成多层级的状态。 此时， 原有的分析 方法就变得不再适用。 发明内容 [0004]由于具有多层级或不规则表面的金属元件表面的换热特性受接触角影响很大， 因 此该模型在预测多层级板状元件接触角的基础上， 可以用来进一步预测 其换热特性。 而在 诸如板状燃料元件反应堆或板式换热器等实际应用中， 其材料表面往往会加工一些微结构 或肋片等用于增强换热， 且材料表面 随着实际使用时间的增长， 表面微结构往往会受到不 同程度的腐蚀， 从而形成了多层级或者不规则的结构表面。 本发明针对现有技术无法分析 多层级或者不规则的金属板状元件微结构表面对接触角的影响的不 足， 提出一种多层级板 状元件不规则表面微结构的接触角预测方法， 通过计算不规则结构表面的分形维数， 得到 分形结构表面的接触角模型， 通过对多层级或者不规则的结构表面接触角的预测， 进一步 预测表面换热特性， 从而为板状燃料元件 反应堆或板式换热器等 实际应用中用于增强换热 的表面多层级微结构的选择以及腐蚀对表面换 热特性的具体 影响程度提供判断依据。 [0005]本发明是通过以下技 术方案实现的： [0006]本发明涉及 一种多层级板状元件不规则表面微结构的接触角预测方法， 包括以下 步骤： [0007]步骤1、 判断待测试样表面是否具有多层级或不规则结构， 得到表面形貌图以及相 应尺寸参数。 [0008]所述的判断， 具体是指： 当仅具有规则结构， 则使用力平衡法进行预测； 当具有多 层级或不规则结构， 则使用激光共聚焦显微镜对待测试样表面进行表征， 得到表面形貌图 以及相关尺寸 参数。 [0009]步骤2、 将表面形貌图转变为灰度图像后， 使用边缘提取算法提取出不规则分形结说　明　书 1/4 页 3 CN 115238511 A 3