1 苏州科技大学物理科学与技术学院，江苏 苏州 215009
2 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所应用光学国家重点实验室，吉林 长春 130033
针对传统水接触角测量过程需要人工干预，导致测量结果精度低、可复现性差等问题，提出一种基于改进Faster RCNN的水接触角测量方法。首先，把Faster RCNN骨干网络VGG16替换为ResNet101，在其残差块末尾处添加注意力机制模型convolutional block attention module（CBAM），增强网络提取特征的能力；其次，融入特征金字塔网络（FPN），充分提取不同尺度下的特征信息，此外，引入Focal损失函数来解决正负类样本不均衡的问题；最后，对定位到的水滴进行边缘检测和角点提取，再利用迭代重加权最小二乘法（IRLS）拟合椭圆轮廓计算水接触角。实验结果表明，改进后的Faster RCNN目标检测算法与原算法相比，平均精度均值提高10.794%，速度提升11 frame/s，水接触角测量结果平均标准偏差为0.109°。
图像处理 水接触角 特征金字塔网络 注意力机制 Faster RCNN 激光与光电子学进展
2024, 61(8): 0812002
1 浙江大学建筑工程学院，杭州 310058
2 浙江大学材料科学与工程学院，杭州 310058
低温瓷釉(LTE)涂层是一种新型金属表面无机防腐涂层，了解其在烧结成型过程中的熔化行为有助于调控LTE涂层烧结工艺，得到基材表面覆盖完全、平滑的涂层。本文采用同步热分析仪研究LTE涂层粉末在烧结过程中的质量和热量变化，采用热机械分析仪测得LTE涂层圆柱体样品的玻璃化转变温度和热膨胀系数，采用自制热台显微镜研究不同升温速率下LTE涂层圆柱体样品黏度、高度、体积以及接触角的变化。结果表明，随着升温速率提高，LTE涂层圆柱体样品的烧结温度、软化温度和球形温度均降低，黏度减小，有利于涂层流平，因此宜采用20 ℃/min的升温速率。在530~550 ℃时，LTE涂层圆柱体样品的高度和接触角随温度的变化都将进入平台期，因此宜选择该温度区间作为LTE涂层的烧结温度。
LTE涂层 升温速率 黏度 烧结温度 特征温度 接触角 LTE coating heating rate viscosity sintering temperature characteristic temperature contact angle
1 西安交通大学人居环境与建筑工程学院, 西安 710049
2 安徽中铁工程材料科技有限公司, 合肥 230041
3 西安交通大学化学工程与技术学院, 西安 710049
4 中南大学土木工程学院, 长沙 410083
水泥基材料具有高度的亲水性, 服役环境中的侵蚀性物质往往通过水的传输渗透到水泥基材料中, 从而导致钢筋腐蚀、混凝土碳化等耐久性问题。本工作利用具有疏水性的微生物菌体提高水泥基材料的疏水性能。研究发现熊蜂生假丝酵母和球形芽孢杆菌掺入砂浆后均可提高砂浆的疏水性能, 接触角可分别提升至122.7°和112.1°, 水滴在砂浆断裂面的扩散速率和吸收速率显著减缓, 毛细吸水最高下降39%左右。通过对内部微结构的分析初步得出菌体通过粗糙结构的构造及自身疏水性的共同作用提升了砂浆基体的疏水性能。虽然加入菌体后砂浆的流动性能和疏水性能得到提升, 然而力学性能显著下降, 这也为后续使用微生物菌体作为水泥基材料疏水剂提出新的挑战。
菌体 接触角 毛细吸水率 流动度 孔结构 microorganisms pellets contact angle capillary water absorption flowability pore properties
大连理工大学材料科学与工程学院辽宁省先进连接技术重点实验室，辽宁 大连 116024
基于铜基焊丝CuSi3Mn1，采用钨极惰性气体保护焊（TIG）和激光?TIG复合焊方法开展了QP980钢搭接焊接头的成形、组织与力学性能研究。结果表明：搭接焊接头由熔焊区、钎焊区和热影响区组成；TIG焊接头只有上基板发生部分熔化，而激光‐TIG复合焊接头的上下基板均发生了部分熔化；随着电弧电流增大，两种接头的接触角均减小，钎焊区长度均增加；脉冲激光的加入可以进一步降低接头的接触角，增加钎焊区长度；接头熔焊区以铜基体为主，内部分布着富铁小岛和富铁颗粒；钎焊区的铜基体中分布着少量富铁颗粒。随着电弧电流增加，TIG和激光?TIG复合焊接头的拉剪载荷均增加；在相同的电弧电流下，激光?TIG复合焊接头的拉剪载荷更高；当激光功率为240 W、电弧电流为140 A时，搭接焊接头的拉剪载荷可达12.4 kN；接头断裂位置均位于焊缝处，断裂路径由钎焊区扩展到熔焊区。本文研究表明，增加钎焊区长度能够强化接头性能，接头中的强化相为富铁小岛和富铁颗粒。
激光技术 QP980钢 接触角 激光‑TIG复合焊 搭接连续焊 接头成形 中国激光
2023, 50(16): 1602103
1 东华大学检测实验室, 先进玻璃制造技术教育部工程研究中心, 上海 201620
2 上海长宁人力资源有限公司, 上海 200050
3 东华大学材料科学与工程学院, 上海 201620
具有轻透优点的树脂镜片在国内矫正视力用镜片市场占主导地位, 常见的功能性树脂镜片要镀加硬膜、多层减反射膜、抗污膜(顶膜), 一般而言, 抗污膜具有良好疏水性能。疏水性能的优劣可通过测量水接触角进行判定, 其中外形图像分析法的测试结果直接、应用广泛。影响水接触角的测量因素有液滴拟合方式、液滴体积、测量时间和静电等。目前玻璃、塑料及纳米薄膜等水接触角测量标准已经颁布, 有必要制定树脂镜片水接触角测量方法标准, 并进行相关指标的数据验证。
树脂镜片 膜层 水接触角
1 中国农业大学工学院, 北京 100083
3 西北农林科技大学葡萄酒学院, 陕西 杨凌 712100
近年来, 随着纳米科技、 聚合物材料和先进制造技术的发展, 以柔性传感器为代表的新兴柔性电子器件在可穿戴、 健康医疗、 物联网终端等领域发挥着越来越重要的作用。 作为柔性电子器件的载体, 柔性基底对传感器的机械可靠性和电学传感性能等方面有着重要的意义。 但由于其表面非极性键造成的高疏水性限制了功能性材料在其表面的沉积, 常常造成柔性基底层与电极层/敏感层之间不稳定的界面结合。 因此, 利用紫外臭氧处理对柔性基底表面改性受到了广泛的关注。 利用近红外光谱技术对柔性基底的紫外臭氧处理效果进行快速精准评估, 旨在从基团分子层面探究其改性效果, 在实际应用中是对传统依靠接触角测量评估方法的有效补充。 具体而言, 对四种常见的柔性基底材料聚二甲基硅氧烷(PDMS)、 聚萘二甲酸乙二醇酯(PEN)、 聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)和聚酰亚胺(PI)进行了1/2/5/10 min不同时长的紫外臭氧(UVO)改性处理, 并利用近红外光谱对其改性效果进行表征研究, 最后利用接触角测量方法对上述的表征结果进行了验证分析。 近红外光谱分析表明: 对于柔性PDMS基底, 紫外光能量不足以切断其中的甲基(—CH3)官能团和(—C—Si—)等化学键, 无法引入羟基、 羧基等亲水性基团。 对于柔性PEN和PET基底而言, 紫外臭氧处理的效果要优于柔性PDMS基底, 且对柔性PET基底的处理效果要优于柔性PEN基底, 其原因可能是PEN基底材料中萘环的双环结构具有很强的紫外光吸收能力, 阻隔了380 nm以下的大部分紫外线能量。 对于柔性PI基底, 紫外臭氧处理可以有效引入羟基(—OH)和羧基(—COOH)等活性基团, 且这些官能团的强度和数量随着处理时间的增加而增加, 从而在短时间内使得PI基底表面能增大、 接触角减小、 湿润性提高。 接触角测试结果验证: 紫外臭氧处理对于柔性PDMS基底处理效果不明显(接触角下降幅度为8.4%); 对柔性PET基底处理的效果(接触角下降幅度为39.6%)要优于柔性PEN基底的处理效果(接触角下降幅度为9.4%); 紫外臭氧处理的效果对柔性PI基底处理效果最佳, 接触角下降幅度达到了62.7%。
柔性电子 基底薄膜 紫外臭氧改性 近红外光谱 接触角 Flexible electronics Substrate films Ultraviolet ozone treatment Near infrared spectroscopy Contact angle 光谱学与光谱分析
2022, 42(6): 1867
二维有机半导体晶体是利用分子间的范德瓦耳斯力进行自组装生长的单晶材料。本质上的单晶属性使其具备优异的电学特性。更重要的是，二维极限下增强的界面特性能够大幅调控器件行为，为构建多功能界面器件提供可能。此外，充分暴露的电荷输运沟道和极少的晶面内缺陷能够为研究本征的有机电子输运特性创造可能。目前，对于二维有机半导体晶体的生长工艺研究已经取得了较大的进展，但是从理论层面上研究二维晶体生长的自组装过程仍然十分匮乏。本工作利用添加剂辅助结晶技术成功制备出二维有机半导体晶体，并通过偏光显微镜和原子力显微镜对二维晶体进行了全面的表面形貌和结构表征。通过SEM结合EDS技术对关键的形核界面进行了结构和组成的表征以研究晶体生长的机制。研究结果表明：在添加剂界面上，生长材料能够稳定形核，并计算出添加剂构建的有利界面能够将形核势垒降低为SiO2界面上的1/5。这项工作充分展现了生长界面对于晶体生长的关键作用，并从理论上揭示了界面的调控行为，为二维有机半导体晶体的生长工艺设计提供了可靠的思路。
二维有机半导体晶体 生长机制 界面调控 形核界面 形核势垒 界面接触角 two-dimensional organic semiconductor crystal growth mechanism interface regulation nucleation interface nucleation barrier interface contact angle
研究了3种微通道板基底羟基化的方法, 测量了羟基化处理后微通道板基底表面水接触角及通道端面的形貌变化, 分析了各种方法中微通道板基底的亲水性和腐蚀情况。实验结果表明: 氨水双氧水溶液对基体表面的亲水性能提升不大, NaOH溶液对基体有腐蚀作用, 经食人鱼溶液处理的基体表面亲水性明显提高且无腐蚀作用。研究了微通道板在食人鱼溶液中的浸泡时间和浸泡温度对表面亲水性的影响。结果表明: 随着浸泡温度的增加, 微通道板表面水接触角先减小后增大, 当温度为80℃时达到极小值, 浸泡时间对微通道板表面的亲水性影响不大。最终确定了微通道板表面羟基化工艺: 浸泡温度为80℃, 静置时间为20~60min。
微通道板 羟基化 食人鱼溶液 接触角 microchannel plate hydroxylation piranha solution contact angle
1 莆田学院机电工程学院，福建 莆田 351100
2 厦门大学航空航天学院，福建 厦门 361005
针对激光刻蚀的金属表面短期内的超亲水性及较长的润湿性转变周期问题，通过优化飞秒激光刻蚀参数在紫铜表面构造出微/纳米分层的乳突状结构，制备了超亲水样品。样品在水汽环境下高温热氧化3 h后，放置于150 ℃的管式炉中用乙醇辅助退火15 min，测得其表面水接触角由退火前的（4.0±0.7）°提高到（150.7±0.6）°，样品表面由超亲水快速转变为超疏水，极大提高了润湿性转变效率。
激光光学 激光烧蚀 润湿性 微纳米结构 水接触角 润湿性转变 激光与光电子学进展
2022, 59(7): 0714010
1 中北大学机械工程学院，山西 太原 030051
2 先进制造技术山西省重点实验室，山西 太原 030051
超疏水表面能有效提升镁合金耐腐蚀性。为此，通过激光刻蚀法结合化学浸泡处理对镁合金进行超疏水表面的制备。分别利用激光共聚焦显微镜和能谱仪对超疏水镁合金的表面结构和化学成分进行表征分析。研究结果表明：当激光能量密度为20 时，可得到接触角达158.14°的超疏水镁合金表面，并表现出良好的耐久性能。此外，通过动电位极化试验和对碳粉清洁试验，超疏水镁合金表面表现出优异的耐腐蚀性能和防污自清洁性能。这种优异的复合性能将推进其在未来各领域中的发展。
激光光学 镁合金 超疏水 耐腐蚀 接触角 激光刻蚀 激光与光电子学进展
2022, 59(5): 0514004
