十二胺对气泡与疏水性滑石表面三相接触线形成的影响

利用气泡碰撞测试、接触角测量、原子力显微镜(AFM)试验研究了十二胺(DDA)对气泡与疏水性滑石表面TPC形成的影响及作用机理。结果表明:滑石在去离子水及DDA溶液中均能形成TPC三相接触线,且TPC形成时间(t_(TPC))随着DDA浓度的升高而增加。气泡与滑石表面三相接触线形成时间(t_(TPC))为气泡与滑石碰撞−反弹所需时间(t_(B))和气泡与滑石间液膜排液时间(t_(D))之和。TPC形成的必要条件是气泡与矿物之间液膜的破裂,液膜的稳定性对TPC的形成至关重要,气泡与矿物间液膜越稳定,t_(D)越长,t_(TPC)也越长。气泡与滑石间液膜的稳定性是由滑石表面的疏水作用力和气泡与滑石表面微纳米气泡之间的相互作用力等共同决定的。疏水作用力是引力,随着DDA浓度的升高,滑石的疏水性增强,使得液膜的稳定性趋向于减弱。气泡和微纳米气泡之间是斥力,随着DDA浓度的升高,液膜的稳定性逐渐增强。

油-水-固三相接触线移动的温度影响机制

温度会显著影响三相接触线的移动,从分子尺度获得接触线微观运动规律及温度影响机理,对深入研究纳米空间内的油水流动具有重要意义.本文构建了正癸烷-水-二氧化硅三相接触线的分子动力学模型,从接触线运动机制、分子取代频率及分子跳跃平均距离等角度,研究了不同三相润湿性时温度对三相接触线移动的影响.结果表明,油-水-固接触线在不同润湿性下呈现“翻转式”“塞状式”和“剪切式”几种机制,导致接触线运动速度呈现逐渐上升至平稳、逐渐下降至平稳和趋于0几种不同的规律,温度升高并未改变上述运动机制及规律.温度升高会引起分子能量增大、吸附密度降低,从而使分子在吸附位点之间的取代频率升高,且“塞状式”机制下分子取代频率的增加幅度明显大于“翻转式”,即在中等润湿性壁面时温度升高对三相接触线移动的促进作用大于亲水壁面.温度变化对分子跳跃平均距离的影响不大,温度升高导致分子取代频率的升高是加速接触线运动的主要原因.

三相接触线形状对复杂流变流体动态湿润特性的影响

本文采用液滴铺展法和Wilhelmy吊片法开展了不同浓度的PEG400+SiO_2纳米颗粒的非牛顿流体在盖玻片上动态湿润特性的研究,这类纳米流体流变性复杂,随着剪切速率的增大,其黏度从弱剪切稀化到强剪切增稠再到强剪切稀化的特征。本文通过对比两种实验方法获得的θ_D-U实验数据,发现三相接触线形状对此类复杂流变流体的θ_D-U呈现一定影响。通过分析其流变性和动态湿润特性的变化规律,从理论上分析了三相接触线形状影响复杂流体动态湿润的原因,并从微观上分析了角区控制动态湿润过程的关键。

壁面粗糙度对油-水-固三相接触线的影响

本文建立了十二烷-水-石墨壁面系统的分子动力学模型,通过分析微观接触角、油水分子在壁面的吸附特性及水分子吸附能研究了壁面粗糙度对油-水固三相接触线的影响。模拟结果表明,壁面凸起的存在会减弱其对油水分子的吸附强度,因此水侧壁面有凸起时水侧接触角增大,而油侧壁面有凸起时水侧接触角减小;壁面吸附油分子平行于壁面排列,壁面凸起结构对其影响不大;凸起结构的存在使壁面吸附水分子的定向排布趋势减弱,吸附强度和稳定性降低。

矩形毛细微槽中三角形区域接触线特性的研究

利用CCD和宽视场体视显微镜相结合的技术,拍摄了矩形毛细微槽内液体工质在三角形区域的润湿图像,并进行了图像处理,研究结果表明:随着热流密度的增加,三角形区域内的三相接触线向微槽底角收缩,导致三相接触线的长度减小,液膜厚度减小;随着微槽深度的增加,三角形区域的接触线长度减小;随着微槽宽度和倾斜角度的增加,三角形区域内的接触线长度增加,液膜厚度增加。

振荡条件下竖直微槽群内接触线变化特性

借助于高速摄像机,对不同结构毛细微槽内三相接触线的变化特性进行了实验研究。研究表明:高热流密度加热情况下,微槽内薄液膜区域会沿着微槽轴向发生攀爬和收缩的趋势,三相接触线会发生周期性振动;液池内工质处于微幅振荡状态时,微槽内接触线长度大于工质处于静止状态时的长度;随着微槽宽度的增加,三相接触线长度会逐渐增加;随着微槽深度的增加,三角形区域润湿长度也会逐渐增加;微槽越宽或者越深,三角形区域润湿长度增加越明显。

黄药体系中气泡与不同粗糙度黄铜矿表面碰撞黏附机理研究

在黄铜矿浮选过程中,矿物表面的粗糙度及黄药浓度的变化会直接影响气泡与矿物表面的黏附和铺展,从而影响浮选效果。为了探究黄铜矿表面的粗糙度和黄药浓度对气泡与黄铜矿碰撞黏附行为的影响,使用砂纸对黄铜矿进行打磨,得到不同粗糙度的样品,然后进行气泡在矿物表面的碰撞黏附试验,并对气泡局部速度、气泡碰撞黏附时间、三相接触线长度随时间的变化、气泡接触角进行了测试分析。结果表明:粗糙度较大的黄铜矿表面有尺寸较大、数量较多的粗糙结构,会促进气泡与矿物表面之间水化膜的薄化和破裂,有利于黏附的形成,但黏附产生后黄铜矿表面的粗糙结构阻碍了气泡在矿物表面的进一步铺展;黄药浓度的增加使得黄铜矿表面生成的疏水性薄膜厚度增加,增强了对样品表面粗糙结构的覆盖作用和黄铜矿表面的负电性,提高了黄铜矿的疏水性,不利于气泡与黄铜矿形成黏附,但有利于气泡在黄铜矿表面形成黏附后的进一步铺展。该成果可用于黄铜矿的高效浮选回收利用研究。

微结构影响下的表面润湿性检测实验系统开发

为了提升智能制造专业实验课程质量,设计了一种可实现上位机控制、全自动一体化的、可用于在不同液体环境下多种加工表面检测润湿性的实验系统。该系统以模糊PID控制、PLC技术、机电传动和人机交互技术为基础,可进行经典机电传动控制、可编程控制器的精密温度控制以及固液界面润湿性参数接触角、滚动角和三相接触线的测量,也可在微结构形态、构件温度和构件表面倾斜等工况改变下的构件表面界面润湿性改变及变化规律研究。该实验系统软硬件结合,功能丰富,可满足润湿性测试、电器控制、精密温度控制和PLC编程实训等多个不同实验项目基础实验需求。

考虑蒸发弯月面区域微观传热的热管径向传热系数研究

气液界面温度、曲率及蒸发弯月面附近的微观传热机制对热管传热性能的准确预测存在重要影响。采用将蒸发弯月面区域的微观传热与宏观区域传热耦合的方法,对梯形沟槽式铜-水热管蒸发端的传热进行模拟,研究了气液界面温度、曲率以及蒸发弯月面区域的微观传热对热管蒸发端径向传热系数的影响。结果表明:蒸发弯月面附近微观区域的气液界面的曲率和固液分子吸附力(分离压力效应)对界面温度的影响不可忽略;微观区域的传热传质对宏观区域的表观接触角以及热管壁面内的宏观温度分布存在显著影响,考虑微观区域传热传质计算出的宏观固体区域的温差更小;若假设气液界面温度Tiv等于蒸气的饱和温度Tsat,计算出的径向传热系数为hrad=7.8 W·cm^(-2)·K^(-1),而考虑微观区域传热传质后得到的径向传热系数为hrad=4.2 W·cm^(-2)·K^(-1)。

毛细微槽内的相变传热的实验研究

本文对矩形毛细微槽竖直板的相变传热特性进行了实验研究。结果表明毛细微槽对相变换热具有很大的促进作用。当壁面过热度较小时,相变换热形式主要是三相接触线附近的蒸发换热机制。而当过热度较大时,微槽内发生剧烈的沸腾。微槽内相变换热的临界热负荷有两种产生机理:其一是当微槽长度较大时微槽内由于流动阻力而产生的液体输运临界;另一机理是当微槽长度较小时的池内沸腾临界现象,亦即由动态微液层模型决定的临界机理。实验还得到了微槽强化传热的最佳优化尺寸。

微槽群内汽泡动力学行为对接触线的影响

针对沸腾情形下毛细微槽群热沉内汽泡对汽液固三相接触线的影响,进行了可视化实验研究。研究结果表明:汽泡动力学行为会直接导致微槽群内三相接触线的形状变化,从而引起蒸发薄液膜的厚度、面积以及汽液界面曲率等对薄液膜的蒸发换热特性有重要影响的物理量的变化。实验证实了在开放式微细尺度槽群结构热沉中,固有弯月面区域里的沸腾与扩展弯月面区域里的薄液膜蒸发存在相互作用,共同对微槽群的强化相变换热特性产生显著影响。

矩形疏水沟槽表面水滴振荡特性

液滴振荡行为是液滴运动中的重要伴随现象,具有重要科研价值.由于液滴撞击疏水沟槽板时运动行为与光滑表面明显不同,可以推测疏水沟槽表面液滴振荡特性也将会呈现与众不同的行为特点.采用高速摄像技术,研究了矩形疏水沟槽表面上水滴高度和接触线振荡行为随沟槽尺寸和撞击速度的变化规律.结果发现,矩形疏水沟槽造成的各向润湿异性使得振荡过程中水滴在平行沟槽方向上的接触线长度大于垂直方向,但并不影响水滴高度方向上衰减振荡的周期,即水滴振荡周期与沟槽间距无关;同时由于疏水沟槽表面上存在能垒束缚效应,致使水滴振荡过程中接触线的铺展和回缩运动不服从典型阻尼振荡规律,而呈现振荡数次后直接趋稳的特点.如水滴以0.61 m/s撞击时,接触线经历2次振荡后即维持稳定,但此时水滴仍在持续振荡中.另外,还初步分析了水滴振荡周期与沟槽间距无关的原因.

浮选颗粒与气泡间动态作用过程研究进展

颗粒与气泡间的相互作用对浮选过程有着至关重要的作用,二者能否发生有效黏附是决定浮选效率高低的关键。高速摄影技术能直接观察气泡−颗粒相互作用微观动态过程,具有可视化、直接化等优点,在颗粒−气泡碰撞、黏附、三相接触线(TPC)形成、脱附等方面应用广泛。本文总结了基于高速摄影技术探究颗粒−气泡相互作用的研究进展,颗粒与气泡间碰撞黏附过程研究主要采用颗粒沉降法,TPC的形成过程研究主要采用单气泡上升法,颗粒的脱附过程及黏附力的研究则主要采用单气泡驱动法。这些研究结果表明,颗粒的形状和粗糙度、气泡的大小和运动速度、表面活性剂浓度和类型、矿物疏水性等因素均会对颗粒−气泡间的碰撞−黏附−脱附过程产生重要影响。

亚毫米球体撞击液滴过程实验研究

球体撞击液面是自然界和工业过程中的普遍现象.目前相关研究主要关注毫米级及更大尺寸球体撞击水平液面.对于亚毫米球体撞击过程的动力学特性及液滴弯曲液面对撞击行为的影响仍需深入研究.本研究基于高速显微数码摄像技术,开展了不同速度亚毫米球体撞击液滴不同位置的实验研究.撞击行为呈现振荡和浸入两种模式.由于液滴弯曲液面的存在,撞击现象与水平液面不同,润湿过程中三相接触线(three phase contact line,TPCL)固定点方位角与撞击角度线性正相关,非轴对称的空穴在TPCL固定点较高一侧率先形成且曲率半径较大.揭示了撞击过程中球体主导力变化和能量转化机制.分析了撞击速度和撞击角度对撞击行为的影响,并给出了撞击模式图.结果表明:冲击阶段形状阻力主导撞击行为,球体动能损耗量与撞击速度正相关.空穴发展阶段由表面张力主导,球体动能转化为维持空穴形状的表面能.振荡模式空穴长度与韦伯数We正相关,空穴发展速度差异较小.根据量纲分析及实验结果拟合得到临界浸入韦伯数We_(cr)与撞击角度α关系式We_(cr)^(1/2)=α/40.

典型植物叶面微结构特征与润湿异性研究

各向异性润湿表面由于具有特殊的润湿特性,在微流控、生物医学、雾水收集和燃料电池排水等方面具有广阔的应用前景。采用接触角测量仪、扫描电镜(SEM)等观测了沿阶草、芦苇、银杏叶等具有各向异性润湿的典型植物叶面。研究表明,不仅与水稻叶相似的具有沟壑结构的叶片(如沿阶草叶和芦苇叶等)呈现各向异性润湿特性,而且无明显微沟壑结构的叶片(如银杏叶)同样具有明显的各向润湿异性。可见,规则条状微沟壑并不是形成各向润湿性差异的唯一决定性特征,类似于银杏叶表面乳突状微形貌的变密度排布也能形成类似的各向异性润湿状态。另外,基于三相接触线的不对称分布特点,对该类润湿异性现象的产生机制进行了初步解释。

液滴在固体表面的接触线区域实验观测

本文利用原子力显微镜的力曲线和线扫描模式研究了非蒸发或蒸发的不同浸润性液滴的前进接触线区域纳米结构。实验结果表明,完全浸润时,非蒸发或蒸发液滴前进接触线是平滑过渡至前驱液膜。所测部分浸润液滴,前进接触线上呈现一个纳米凸起结构,其中,非蒸发的液滴不存在前驱液膜,而蒸发液滴有前驱液膜。

格子Boltzmann模拟条纹基底上液滴的蒸发

采用二维的格子Boltzmann方法对条纹基底上液滴蒸发进行模拟.讨论了基底润湿性区域宽度和蒸发率大小的改变对蒸发液滴三相接触线(contact line)运动的影响.计算结果显示当处于条纹基底上的蒸发液滴边缘接触润湿性区域时,三相接触线后退的解销联(de-pinning)阶段变为基部直径保持不变液滴高度降低的销联(pinning)阶段.另外,还发现对于同样尺寸的蒸发液滴处在宽度不同的润湿性区域的条纹基底上,销联时间和蒸发消失的时间是不同的.

微结构疏水表面上液滴的表观接触角

虽然微结构疏水表面上Cassie-Baxter状态液滴的表观接触角已有理论预测公式,但实验研究发现,由于微结构疏水表面上的瑕疵,以及液滴受到的各种轻微扰动等原因,很容易造成Cassie-Baxter状态液滴局部区域出现Wenzel状态的情况(即混合状态),而有关混合状态液滴表观接触角的研究还比较少.本文通过对比相同微结构疏水表面上Cassie-Baxter状态和混合状态液滴表观接触角的大小,发现将Cassie-Baxter预测公式中的固液接触面积分数F换成最外缘三相接触线处的局部固液接触面积分数F′,则能同时较好地预测上述两种情况下液滴的表观接触角;通过进一步的研究发现,表观接触角的大小仅与最外缘三相接触线处的固液接触状态有关,而与其他处的固液接触状态无关.该结果对于进一步认识微结构疏水表面上液滴的表观接触角以及润湿性质具有重要意义.

探索微纳尺度润湿动力学:长针式原子力显微镜的应用与进展

“如何在微观层面测量界面现象”是微纳尺度实验流体力学的关键科学问题,被列入世界前沿125个科学问题名单(Sanders S,Science,2021).由于光学衍射极限的限制,传统光学手段很难直接测量微纳尺度下的流动与界面现象.利用原子力显微镜的精准操控和小尺度力学测量等优势,结合长针式探针组装成的微流变计可以直接测量气-液-固三相接触线上的毛细力,并监测探针在垂直方向运动中力的动态变化.通过该技术手段,可以实现对流体界面的动力学行为以及各类材料在液体环境中力学性质在微纳尺度的精确表征.文章将系统介绍长针式原子力显微镜技术的实验原理和方法,及其在微纳尺度非理想界面润湿动力学中的最新研究进展,包括低能垒表面毛细力的速度依赖性与非对称性、无序粗糙表面接触线黏滑运动的统计学规律、柔性表面接触线动力学的状态与速度定律、以及离子液体-金属界面处电场对接触角迟滞的调控等,最后展望了该技术在新兴领域中的应用.该实验手段为检验各类理论模型与数值模拟提供了可信数据,为探究界面上复杂现象的物理本质提供参考.

液滴沉积制备图案化纳米粒子薄膜

液滴沉积是基于溶液法制备图案化表面的重要过程,是喷墨打印技术的核心步骤,广泛应用于制备光电薄膜器件.液滴沉积是极其复杂的动态过程,包括液滴的铺展、退浸润和干燥等过程,受蒸发环境、液滴性质、基底浸润性等多种因素影响.通常情况下,液滴沉积可得到多种不同形貌的沉积图案,其均匀性普遍较差,直接影响了图案化表面的光电性能.本文以含有非挥发性纳米粒子的溶液为研究体系,系统综述了液滴的三种蒸发模式和促进粒子沉积的对流竞争机制,总结了常见的不均匀沉积图案类型,如咖啡环状、多环状、山状和一些不规则图案.在此基础上,介绍了近年来实现纳米粒子均匀沉积的三种典型策略,以及基于液滴沉积制备的图案化表面在光电子器件方面的应用,并提出了目前液滴沉积制备图案化纳米粒子薄膜的研究方向.该综述对功能纳米材料的图案化和溶液法精密制造光电子器件具有重要意义.