外电场作用下纳米结构表面的固-液界面传热特性

在固体表面布置纳米结构是一种强化固-液界面传热的简单有效的方法.但是,当固-液界面相互作用较弱时,由于纳米结构并不能被液体浸润,纳米结构的存在反而会弱化固-液界面之间的传热,而外电场的施加则可以解决这一问题.本文基于分子动力学模拟的方法,研究了纳米结构固-液界面在外电场作用下的传热特性.通过在2块平行金属板布置数量相同的正负电荷,产生垂直于板面的均匀电场,并在下层金属板上布置了不同尺寸的纳米结构.结果表明:在外电场作用下,纳米结构处会产生电润湿现象,固-液界面的润湿状态能够从Cassie态变为Wenzel态,界面处的Kapitza热阻长度明显减小,因而热流密度显著增大;当电荷量增至发生电冻结的临界值,液态水会产生电冻结现象,其热导率骤增至1.2 W/(m·K),热流密度也随之发生骤增;继续增加电场强度,由于电冻结现象的发生,固-液界面热阻则基本保持不变.

粗糙金属电极的原位电化学拉曼光谱法在固-液界面分析中的进展

原位电化学拉曼光谱利用入射光诱导物质分子的散射现象,通过测定拉曼光谱信号与电极电位或电流强度的变化关系,来表征电极表面(界面)的分子微观结构。该技术能够获取电化学界面上的分子振动信息以及与化学反应相关的结构信息,并进行实时监测,因此在物质界面表征领域得到了广泛应用。本文从原位电化学拉曼光谱的原理出发,综合叙述了基于粗糙金属电极的原位电化学拉曼光谱在固-液界面分析的进展,包括分子吸附、析氧反应、析氢反应和氧还原反应;同时,探讨了界面结构、反应过程以及催化中间体与拉曼信号强度的关系,介绍了催化过程反应机理和催化物质的催化机理,最后,对下一阶段原位电化学拉曼光谱法在固-液界面分析中存在的科学问题进行展望。

多晶硅定向凝固过程中固-液界面特性研究

通过真空感应熔炼炉以不同拉锭速率制备了多晶硅铸锭,通过对铸锭的金相组织及少子寿命随凝固高度的变化及径向分布的分析,研究了多晶硅定向凝固过程中的固-液界面特性。结果表明:少子寿命随生长高度的增加先增加后减少,其径向分布与固-液界面相对应。由少子寿命分布图可以看出,固-液界面的曲率随拉锭速率的减小而减小,固-液界面形貌为胞状界面。计算分析表明,胞状的固-液界面造成Fe杂质的有效分凝系数增加了3个量级以上。

定向凝固铁磁形状记忆合金Ni_2MnGa的固-液界面形态

采用超高温度梯度真空区熔法定向凝固制备了Ni2MnGa晶体,改变晶体生长速度、温度梯度和熔区长度,获得了平直的固-液生长界面,制备出Ni2MnGa单晶.用光学显微镜观察了Ni50Mn29Ga21晶粒的竞争生长过程.制备的定向凝固试样无宏观成分偏析. X射线衍射分析仅显示四方结构马氏体Ni2MnGa 400峰和004峰,晶体生长轴向择优取向为立方奥氏体(100)方向.采用差式扫描量热分析(DSC)和热重法(TG)分别测定试样中不同部位的相转变温度和Curie温度.在稳定生长区,沿轴向马氏体相变温度在10℃左右变化,而Curie温度几乎没有变化.这进一步表明采用该方法制备的Ni2MnGa晶体沿轴向成分均匀,且马氏体相变温度一致.

硫化物固-液界面电化学效应实验探讨

硫化物作为一类重要的常见矿物,目前国内外对其表面矿物学特征研究有限。具体到硫化物固-液界面处的行为机理,前人的研究程度就更低了。笔者自行设计了一个Fe_(1-x)S-Cr^(6+)原电池,通过实测电动势(E)、t-E关系曲线、溶液可见光吸收谱及其λ-A关系曲线,阐明硫化物与Cr^(6+)溶液间的界面行为机理。认为其界面行为过程为:硫化物溶解→离子反应(氧化还原)→吸附Cr^(3+)。该原电池与一般原电池结构不同,其主要差别在于将反应电极和测量电极分开,从而解决电极反应过程中的浓度极化问题,提高了电化学实验的精度。该研究成果有助于揭示矿物—液体相互作用机理,完善和丰富表面矿物学研究内容,深化界面成矿理论,并对环境治理、矿物材料应用等开发领域具有重要的参考价值。

TiAl-B合金凝固过程中初生TiB_2的固-液界面形态演变特征

用原位自生法制备了 Ti Al- B合金 ,并用 XRD、SEM对材料的相组成、微观组织和初生 Ti B2 晶体的界面结构特征进行了研究。结果表明 :该合金主要由 Ti Al和 Ti B2 两相组成 ;初生 Ti B2 呈六面棱柱状 ,在其 (0 0 0 1)面存在清晰的生长台阶、凸台状或柱棒状分枝 ,它们的各晶面取向与母体的取向一致。分析表明 ,在 Ti Al- B合金凝固过程中初生 Ti B2 晶体的固 -液界面是不稳定的 ,使固 -液界面由一完整光滑的界面逐渐演变为由多个相互独立的次级界面构成的复杂界面 ,次级界面亦为小面结构。

土壤颗粒表面电场作用下固-液界面Mg^(2+)-K^+与Ca^(2+)-K^+交换动力学的比较研究

通过恒流法研究了不同表面电场作用下Mg2+、Ca2+吸附动力学.结果发现:(1)实验初期阶段是强静电力作用下的零级动力学过程和一定反应时间后的弱静电力作用下的一级动力学过程,且零级速率过程和一级速率过程之间存在明显的转折点;(2)不同电解质构成中Ca2+的吸附速率明显快于Mg2+的,平衡吸附量也大于Mg2+的,且Ca2+在土壤颗粒表面的覆盖度比Mg2+在土壤颗粒表面的覆盖度高;(3)离子的相对有效电荷系数与土壤颗粒表面电场作用的不同是各体系中Ca2+、Mg2+吸附动力学有差别的根本原因;(4)根据离子吸附的理论模型可以分别计算出速率系数、平衡吸附量、离子在土壤颗粒表面的覆盖度以及固定液的体积,这些参数可以定量评估土壤颗粒表面电场对离子吸附动力学的影响.

固-液界面阴离子集团构型的密度泛函理论研究

通过键合不同数量的H2 PO-4 离子构造了H4P2 O2 -8和H4P4O8-1 6 两种阴离子集团 .利用密度泛函理论对它们的构型进行优化并计算其振动频率和喇曼散射效率 .测量了固 -液界面边界层的喇曼光谱并与理论计算结果进行对比分析 ,进一步研究了阴离子集团的结构、聚合及脱水等过程 .实验和理论研究均表明阴离子二聚体是KDP晶体的生长基元 ,他们在固液界面将进一步形成多聚体分子集团 ,而离子集团的脱水过程则发生在距KDP晶体表面约 5 0 μm的固 -液界面边界层中 .随着生长层向界面的推进 ,这些分子集团将变得越来越有序 .本文的研究结果对确定晶体生长界面动力学过程。

河口有机物在固-液界面迁移转化研究进展

河口复杂的水动力条件和丰富的泥沙含量,使得河口水体中固-液界面过程成为控制河口有机物迁移转化的关键环节。本文总结了有机物固-液界面吸附机理以及河口区有机物在悬浮物-水界面、沉积物-水界面的迁移转化,并对今后研究工作提出几点看法。

脉冲激光诱导固-液界面反应法合成亚稳相纳米晶

评述了利用脉冲激光对液体中固体材料进行表面处理以获得亚稳态新相的方法,并采用脉冲激光诱导固—液界面反应法制备了金刚石纳米晶和氮化碳纳米晶,简要分析了用此方法合成纳米晶的生长过程。

铝镁合金固-液界面能分子动力学模拟与计算

通过实验及计算测得准确的固-液界面能,对于理解并掌握该合金凝固及形核的过程具有很大的帮助.用分子动力学方法对铝的均质形核过冷度进行了模拟,运用模拟得到的均质形核过冷度计算得到对应固-液界面能的值.进一步得到了Al在熔点温度下其理想光滑固-液界面的固-液界面能σ0,通过σ0对铝在不同温度下及Al-Mg在共晶温度和成分点的固-液界面能进行了预测.计算结果发现:不同均质形核过冷度计算得到的Al在熔点温度下其理想光滑固-液界面的固-液界面能σ0分别为0.199 8,0.199 9,0.199 8J/m2;由σ0对Al-Mg合金固-液界面能的预测的结果及凹槽法所得到的实验值分别为0.155 1J/m2和0.149 2±0.019 4J/m2,其误差小于4%.

固-液界面上的吸附膜

利用Gibbs吸附公式处理了硅胶自四氯化碳和环己烷中吸附脂肪醇、环己醇、苯甲醛、苯甲醚、乙酸丙酯的实验结果,得到吸附膜的表面压(π)和分子面积(A)的关系曲线,这些曲线均可用描述不溶物液态扩张膜的Smith方程描述.文中对所得结果给出了初步的解释.

单向凝固Fe-C共晶的固-液界面稳定性

研究了Fe-C共晶合金单向凝固时固-液界面的形貌,发现固-液界面的失稳是一渐变过程,而不是突变性的。用计算机和M-S理论对固-液界面的稳定性进行了数值分析和讨论,给出了绝对稳定性判据与石墨的分枝间距,并与试验结果进行了比较。

表面活性剂固-液界面吸附研究的某些新进展

本文综述了离子型表面活性剂以及阳离子与非离子型表面活性剂的混合体系在固—液界面吸附的情况．

Gibbs吸附公式在固-气和固-液界面吸附中的应用

Gibbs吸附公式本适用于各种界面的吸附研究 ,但由于有固体参与形成的界面界面能测定困难 ,至今Gibbs公式多只用于气 液界面的研究。本文讨论了Gibbs吸附公式在固 气和固 液界面吸附研究中的应用 ,主要是介绍将Gibbs公式与二维气体状态方程结合导出吸附等温式 ,因吸附而引起的固 气和固 液界面能变化规律 。

铋生长方式的转变及其固-液界面能的确定

为了深入研究铋的凝固组织及固液界面能的变化规律,采用熔盐净化结合循环过热的方法,对铋的过冷度及凝固组织特征进行研究,试验结果表明：过冷度不仅影响铋凝固后晶粒的尺寸,而且也影响晶粒的形貌.根据铋凝固后的晶粒形貌,确定出了铋从小平面生长转变为中间方式生长的临界过冷度和中间方式生长转变为连续生长的临界过冷度分别为49 K和95 K.在此基础上,利用临界过冷度转变模型对铋的固-液界面能进行了预测,从两个临界过冷度所计算的固-液界面能值几乎相等.两者的误差在144~544 K范围只有1.44%~2.55%.其预测结果与形核过冷度法所报道的实验结果相吻和,其误差小于1.72%

非离子Gemini表面活性剂在固-液界面吸附的Monte Carlo模拟

利用Monte Carlo方法对非离子Gemini表面活性剂在固-液界面的吸附进行了模拟,得到了吸附层厚度、吸附量和链节密度分布,并用两阶段吸附模型拟合了吸附等温线。同时,对Gemini表面活性剂和传统表面活性剂在界面的竞争吸附进行了模拟。结果表明:随着对比温度的升高,单一非离子Gemini表面活性剂在疏水性界面的吸附层厚度减小,吸附量降低,吸附等温线符合两阶段吸附模型。在相同能量参数下,Gemini表面活性剂在界面吸附的能力远比传统表面活性剂在界面吸附的能力强,它可将表面上已吸附的传统表面活性剂解吸下来,从而影响界面性质。

金属熔体凝固过程中固-液界面能的计算

归纳了固-液界面的特点,介绍了固-液界面能的实验测量方法、分子动力学计算方法,分析了这些方法的优缺点,并重点阐述了固-液界面能的模型。提出目前借助于计算机模拟和相关理论模型可以计算绝大部分金属的固-液界面能及其各向异性。在展望其应用前景的基础上,指出了计算界面能未来的发展方向。

Cu75Ni25合金平衡固-液界面的微观结构

采用NPH系综分子动力学(molecular dynamics,MD)方法模拟了Cu75Ni25合金的平衡固-液界面,并对其界面结构及属性进行了深入探究。根据相图计算,取Cu75Ni25合金成分点,求得不同晶向的熔点,Tm,[100]=1508.31 K,Tm,[110]=1514.92 K,Tm,[111]=1523.35 K,熔点存在各向异性。在界面区,统计了平衡构型的数密度、序参数、Ni原子浓度以及质量密度的分布曲线,展示了固-液界面的diffuse nature;所有参数在由固相向液相衰减的过程中呈现出很好的双曲正切的连续变化规律,其中采用Ni原子浓度计算得到的界面宽度明显小于采用其他属性计算得到的界面宽度。此外,按照“10%~90%”规则,以序参数为标准计算得到的界面宽度同样存在非常一致的各向异性;采用序参数aq 6计算得到的界面宽度始终大于序参数ξ的界面宽度。

固-液界面能各向异性对定向凝固Al-4.5wt.%Cu合金枝晶形态的影响

采用高温度梯度定向凝固技术结合现代材料分析方法研究了固-液界面能各向异性对铝合金枝晶生长的影响。结果表明,当沿(100)晶面上不同晶向,在Al-4.5wt.%Cu合金中制备出轴向枝晶和退化枝晶;沿(111)晶面上不同晶向,制备出轴向海藻晶、倾斜海藻晶和退化海藻晶组织。通过构建界面能各向异性极图发现,不同枝晶的生长取向与晶面上各向异性强度最高方向一致。不仅拓展了金属合金凝固组织的研究范畴,而且对轻质金属材料铝合金的组织预测和控制有很好的指导作用。