1、材料是人类生产和生活水平提高的物质基础，是人类文明的重要支柱和文明进步的重要里程碑。材料科学的发展推动社会发展，而材料科学的进步又取决于社会生产力和科学技术的进步。计算机作为一种先进的现代工具，在日常生活当中得到了越来越广泛的应用，计算机应用已广泛深入科学、技术、社会生活等各个领域。当今世界，几乎所有专业都与计算机息息相关。计算机在材料科学中应用也不断发展，其作用是明显的。比如显微镜的计算机系统、计算机用于新材料的设计、材料加工当中的计算机自动化控制，等等这些先进手段大大方便材料科学研究。许多大学的材料科学系早已经将计算机在材料科学中的应用列为学科基础课程。接触角是材料表面润湿性能的重要参数之
2、一。通过接触角的测量可以获得材料表面固-液、固-气界面相互作用的许多信息。因此，接触角的测量在材料防护、医药、半导体、化妆品、生命科学、油墨工业及其他领域都有重要应用。表面自由能及其极性色散力分量（非极性分量）是固体表面最基本的热力学性质之一。诸多表面现象以及与表面性质有关的各向异性、润湿性、粘结性、吸附性等效应均与之密切相关。接触角和表面能的测量和计算方法有多种，而且还在不断的发展完善，这些方法各有其使用范围和优缺点，没有一种技术能够测量所有固体表面的接触角。在实际的操作中应该根据具体情况，选择适合的测量方法。接触角数据应该与其他的表面分析技术相结合，今后将朝着高精确度、多功能化和在线分析的
3、方向发展。目前国内外对材料表面接触角的测量技术已经相当成熟。复杂至大型的计算量大的精密测量软件，简单至基本代码写制的计算仪；贵至几十万，而便宜至简单的基本代码写制的测量软件，对各种先进的仪器测量的出的数据能够满足不同的接触角与表面能的测量和计算需求。2 接触角与表面能2.1 理论背景液体与固体接触时的润湿情况有两种。第一种情况，液体完全润湿固体表面，即液-气（ l-g）界面与固- 液（s-l）界面之间的接触角为 0；第二种情况，液体部分润湿固体表面，即液体在固体表面形成液滴，呈现非零接触角。如图 1 所示，对于此种情况的宏观液滴，三相界面张力满足 Youngs 方程：coslgsgsl式中 -
4、界面张力，下标 l，g 和 s 分别代表液相、气相和固相；-接触角。在学术上普遍认可的接触角定义是：过三相接触点，向 l-g 界面做切线，l-g 界面切线与 s-l 界面之间的夹角，即为接触角。图 1 固体表面上的液滴在气相环境中，液滴在完美固体表面的情况可有 Youngs 方程可知：（1）SVLVcos根据表面化学理论，固-液界面张力可由下式计算：（2）0dPSLVSSLVSLV2其中，d 和 p 分别是表面能的色散分量和极性分量； 是固体在真空中的0比表面能，对于像炸弹这样的低表面能的有机分子有 。SV把（2）代入（1）可得：(3)dPLVSLVSLV1cos22显然，如果能找到两种已知
5、和 的液体，并测出它们在固体表面的接dSP触角，那么就可以计算出固体表面的比表面自由能。上述公式是接触角和表面能的基本计算公式及计算机计算表面能的理论依据。2.2 常用接触角的测量方法接触角测量方法可以按不同的标准进行分类。按照直接测量物理量的不同，可分为量角法、测力法、长度法和透过法。按照测量时三相接触线的移动速率，可分为静态接触角、动态接触角（又分为前进接触角和后退接触角）和低速动态接触角。按照测试原理又可分为静止或固定液滴法、Wilhemly 板法、捕获气泡法、毛细管上升法和斜板法。1 量角法 这种方法的本质是直接或间接地量取接触角的大小。它是应用最广，也是最直观、最直接的测量方法。具体
6、的做法又有多种，主要由投影法、摄影法、显微角法、斜板法和光点反射法。量角法的突出缺点是一般需要做切线，测量结果往往受到操作者的影响，重现性差，误差较大。2 长度法 长度法是通过相关的长度参数，利用接触角和这些参数的关联方程，求解出接触角，这就避免了做切线的困难：当液滴足够小时，重力可以忽略，液滴是最理想的球冠形，如图 2 所示。测量在固体平面上小液滴的高度（h）和宽度（2r） ，根据：（1）2sinhr（2）tar式中 r-球形液滴底面圆的半径h液滴的高度图 2 球形液滴剖面图因此，通过测量 h 和 2r，就可以根据上式计算出接触角。由式（2）表达式，这种方法又叫 /2 法。在实际操作中，对于
7、空气中的液滴，要保证接触角的测量误差范围在0.1，其底面直径应该在 25mm。液滴的直径不能 2mm ，是为了避免尺寸效应的影响。目前，美国 FTA 公司推出 FTA100 系列产品、德国 Dataphysics 公司推出的 OCA 系列视频光学接触角测量仪以及 PCA 系列便携式/ 在线接触角测量仪、ACA 系列全自动视频接触角测量仪以及 SVT 系列视频接触角测量仪（超低界面张力仪）均基于该原理。长度法由于不需要做切线，测量结果受操作者的影响比量角法小。但长度法在推导接触角与长度参数的关联方程时，往往有一些假设条件。实际测量中又不能满足这些条件，如液滴的体积不是球形的一部分，或液滴在粗糙表
8、面、多相表面的接触角并不是轴对称的，此时用长度法测量接触角就会给测量结果带来误差。4 接触角的测量 首先双击进入“接触角测量系统” （如图 3） ，点击“测量接触角”进入接触角测量界面：图 3 测量系统当有接入接触角测量仪端口信号的时候，系统会自动读取输入设备信息并且在接触角测量系统的“设备名称”一栏显示所接入设备的名称，并进入接触角测量界面（如图 4） 。图 4 接触角测量系统4.1 接触角值的测量4.1.1 图像的获取图像的获取和载入是图像处理的首要步骤，应该根据图像的要求的不同而载入不同格式的图像文件。例如，若对图像进行像素操作，则应载入 BMP 格式的图像文件，这是因为 BMP 是 W
9、indows 使用的一种标准格式，BMP 文件通常不压缩。表面能软件测试仪除了通过外接摄像设备获取实时图像之外，还可以通过手动载入事先通过设备拍摄好要准备测量其接触角或表面能的图像（如图 5） ，也就是说表面能软件测试仪也具备一定的图像处理和测量的功能。图 5 接触角的测量4.1.2 图像的二值化随着图像处理技术的广泛应用和处理精度的不断提高，图像分割显得更为重要，而图像的二值化处理是最关键的技术之一。图像的二值化处理技术在图像分析、自动识别、文字增强以及 OCR 等图像的处理中都具有广泛的应用。一般情况下，获取的图像都是多灰度级图像（彩色图像可处理成灰度图像） ，不同的图像具有不同的灰度分布
10、。图像二值化是指通过设定某个阈值 T，并以阈值 T 为门限，把多灰度级图像的像素一分为二，即分为大于阈值 T 的像素和小于阈值 T 的像素集两部分。这样，多灰度级图像就转换成只有两种灰度级（黑白图像）的图像，亦即把图像的特征部分和背景分离开。然后才可以对图像进行分析、计算和识别。下面是运用 GDI+的 Image 和 Bitmap 类以及SetPixel、GetPixel 方法实现的图像二值化处理获得的图像，选取不同的阈值 T处理的结果也不同，图像比较如图 6 所示。图 6 不同阈值处理的结果图 7 表面能软件二值化处理前后的图像对比4.2 数据的处理和储存（1） 表面能测试仪的控件功能：“测
11、量接触角”：此功能是当点击按钮之后，会弹出一个已经载入目标图片的窗口，在窗口中我们可以按量角法的 /2 法的计算公式在图像的固液气三相界面上选取三点，通过程序中的公式计算得出接触角的值（如图 5） ，储存在数据载体控件 Datagridview 中。“删除数据”：用于删除 Datagridview 中认为操作计算导致误差较大的数据，点击一次删除控件中最后面的一组数据，缺点是只能逐个并且只能删除最后面的一组数据，不能做任意的删除。“二值化”：功能是在图像的载体控件 PicCapture 上有图像时，为了使图像更加清晰更利于测量时做的图片处理手段，把图像边缘化和黑白化。 “二值化阈值控制”就是对图
12、像进行操作所加的对比参数，但对于黑白对比已经很明显的图像建议不必使用做此步骤。“载入图像”：在已有图像的情况没有外接视频采集设备情况下，为了测量物质的接触角和计算表面能，通过此控件打开目标文件载入图像以实现图像的载入。“返回上级”：返回到主登陆界面。（2） 数据储存控件 Datagridview 的右键操作：当控件中已储存测量数据时，我们可以通过点击“删除数据”对最后一组不满意的数据采取删除的操作，但是对 Datagridview 内任意一组的数据采取删除和筛选的时候这一功能已不再适用。“删除此行”：单击鼠标左键选中想要删除的行，选中的时候行会变成蓝色显示，再点鼠标右键，点菜单栏“删除此行”操
13、作，这一行的数据就会被清除。控件内的数据会自动按顺序重新排列并且上升一行。“删除选中”：控件内有多于一行的需要删除的误差数据，按住“Ctrl”键不放执行多选操作，点击右键菜单栏“删除选中”项，选中的多行数据立即清除。控件内的数据会自动按顺序重新排列。（3） 数据的储存接触角的测量的默认操作次数是 6 次，最后取 6 次测量结果的平均值作为参数。当测量次数已达 6 次并且对数据采取删除和筛选的操作之后，计算出平均值。点击“保存数据” ，有以下两种效果。1 被测试的物质在接触角测量系统的截图就会被保存到默认路径中，一般程序默认在 d 盘中保存，建立新的文件夹，并有提示路径和以图片的方式保存。路径为
14、 d:接触角测量实验年_月_日“样品名称：xxx” “接触角值：xxx”“.jpg”。2 在数据储存控件 Datagridview 中的数据被记录并提示以文本的方式进行保存。路径为 d:接触角测量实验年_月_日（接触角） “.txt”。“退出测量”：退出接触角测量系统，程序退出。“更换样品”：清空控件 Datagridview 内所有数据和 “样品名称” 。4.3 接触角测量的量高法和量角法的比较为了准确说明量高法与量角法的区别和特点，下面举例一组实验来说明差距。图 8 为在室温下水滴自然下滴到载物上所成的像，测量和成像仪器为HARKE-SPCAX 视频全自动接触角测量仪，它是一种用于测量固体
15、的接触角、润湿性和悬滴表面张力、自动，快速地样品分析，高速动态图象捕捉，测量精度比较高。图 x 上已绘出接触角并标注该值为 44.4。表面能接触角测量仪中设计了量角法和量高法两种测量方法，表 1 中为在同样条件和温度下所测量得到的两组接触角值的比较。图 8 待测试水滴试样表 1 量角法与量高法测量的接触角的值序号 量角法 偏差 方差 量高法 偏差 方差1 45.10 0.38 0.1444 44.97626 0.26 0.0656692 43.50 -1.22 1.4884 44.54282 -0.18 0.0313933 46.40 1.68 2.8224 44.64408 -0.08 0.
16、0057644 45.00 0.28 0.0784 44.32661 -0.39 0.1547565 45.30 0.58 0.3364 44.81523 0.10 0.0090696 42.40 -2.32 5.3824 45.00327 0.28 0.0802427 44.40 -0.32 0.1024 44.29294 -0.43 0.182388 44.20 -0.52 0.2704 45.00569 0.29 0.0816199 47.10 2.38 5.6644 44.47266 -0.25 0.06117710 43.20 -1.52 2.3104 44.84779 0.13 0
17、.0163311 44.40 -0.32 0.1024 44.71483 -0.01 2.67E-0512 43.80 -0.92 0.8464 45.05758 0.34 0.1139613 46.30 1.58 2.4964 44.9412 0.22 0.04892914 42.60 -2.12 4.4944 44.65138 -0.07 0.00470915 44.90 0.18 0.0324 44.44322 -0.28 0.07660716 46.10 1.38 1.9044 45.09971 0.38 0.1441817 45.70 0.98 0.9604 44.7318 0.01
18、 0.00013918 46.80 2.08 4.3264 45.01136 0.29 0.08489119 43.50 -1.22 1.4884 44.61889 -0.10 0.01022320 43.70 -1.02 1.0404 44.89135 0.17 0.029361平均值 44.72 0.00 1.81 44.754434 0.00 0.006通过上表的数据对比可以得出：(1) 同时采用量高法和量角法测量时，量高法和标准值的差别较小，更接近标准值。(2) 采用量高法更准确，数据更接近标准值，量角法的误差比量高法的误差大。(3) 在更多人为操作下，采用量高法减小误差。5 表面能的
19、测量在前面的“理论背景”中我们提到表面能的计算是以接触角的值为基础的，所以表面能的计算是以接触角的测量值为前提的。接触角法是最方便、应用最广泛的表征固体表面的标准方法之一，从接触角可以推导出一系列有关的表（界）面关系。将液体置于固体表面上，其平衡形状取决于固体表面能、液体表面能以及固、液界面能之间的平衡关系，达到平衡时总界面能最小。此时，液相表面与固相表面的接触界面处，形成相对的面间角，称之为接触角。接触角的定义为固、液、气三相界面处，气液相界面与固液相界面之间的夹角。接触角的现象非常复杂，如何理解它的形成一定程度上还有争论。接触角的重要性在于：一方面它在与表面润湿有关的技术问题以及环境和生物
20、现象中有重要作用；另一方面它也是有关固液表面上表面张力的表现。5.1 界面功能介绍 图 9 表面能测量界面通过 Youngs 方程我们可以了解到，要测量到物质的表面能及其分量的值，首先要得到的是至少两种测量液体并且知道在此探测物质下的接触角的值，通过 Young方程的计算机计算我们就可以得到所需要的数值。在表面能测量界面我们界定了四种探测液体，分别是：“去离子水” 、 “乙醇” 、 “乙二醇（30%） ”和“甲酰胺” 。我们可以在列表框中选择每种液体的测量次数，分别为 16 次不等，这样在选择好探测液体和测量次数之后，我们又回到了上面的一个问题接触角的测量。在表面能的测量界面中，同样设置了给图
21、像的二值化和外界导入图像（非现场视频设备采集）的程序，目的是为了更好的得到接触角的值，顺利准确计算出被探测物质的表面能。图 10 测量表面能表面能测量仪界面程序功能：“二值化”：对图像进行二值化黑白边缘处理，便于测量（如图 7） 。“装载图像”：无成像设备时导入外部图像测量。“返回上级”：返回主界面。“开始测量”：有图像信息载入并选择好探测液体和次数时，点击进入接触角的测量界面（如图 9） 。“清除数据”：在操作错误和有误差数据出现时点击删除最后一行的数据。“继续测量”：储存数据和图像之后，清空两个 Dtagridview 中的数据。“保存图片”：当一种探测液体达到测量的次数并求出平均值后，可以保存当前探测液体的图片。“计算表面能”：两种或多于两种探测液体并求出平均值后，计算出表面能的值，显示在右边的 Dtagridview 控件中。“退出”：关闭界面，退出程序。
