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.

非晶态合金表面的水润湿动力学

采用分子动力学模拟方法研究了改进的Simple pointcharge模型SPC/E水滴在Cu_(50)Zr_(50)非晶薄膜上的润湿行为和铺展过程.通过与CuZr(110)和(100)晶面对比研究发现,水滴在Cu_(50)Zr_(50)非晶薄膜表面上表现出较高的铺展速度.水滴在非晶合金表面的铺展过程中形成了明显的吸附层;而在晶态表面,水滴铺展前沿呈脚状形态.分析结果表明非晶表面的水分子在吸附层内呈现完全无序的单层排列方式,而在晶态表面,特别是(100)晶面,吸附层水分子呈双层有序排列.这种吸附层结构的差异导致了吸附层内水分子方向的差异:非晶表面吸附层内水分子方向倾向平行于表面,而晶态基底上吸附层内的水分子倾向于指向液滴内部.由此造成了非晶表面吸附层中的水分子与液滴内部以相对较弱的氢键相互作用,这使得上层水分子能够较容易扩散至吸附层前沿,促进液滴铺展.

高分子量聚合物对溶剂诱导低分子量聚合物薄膜去润湿动力学的影响

采用偏光显微镜及椭偏仪等研究了单分散低分子量聚苯乙烯(PS)薄膜、单分散高分子量PS薄膜以及将二者按不同质量比共混制备的PS薄膜,在室温下用丙酮溶剂诱导其去润湿的过程.实验发现,按不同质量比共混的PS薄膜的去润湿动力学与单分散的PS薄膜去润湿动力学有较大区别.按不同质量比共混的PS薄膜,低分子量的PS更易于富集在薄膜的表面,其去润湿的速度介于单分散低分子量PS薄膜与单分散高分子量PS薄膜的去润湿速度之间.但共混薄膜的去润湿速率并非随着高分子量PS的加入呈现单调的变化,这是由大量接触分子的形成抑制了去润湿所致.

液滴在球形粉尘表面的动力润湿特性

液滴撞击、润湿粉尘现象在喷雾除尘中广泛存在,该润湿过程具有明显的动力学特征。为进一步理解液滴对粉尘的动力润湿特性,以液滴形态为监测对象,在欧拉框架下采用VOF数值模拟法,对液滴进行表面追踪,研究了液滴撞击球形尘粒前的形变特征及其与尘粒撞击过程中的动力润湿特性,分析了液滴撞击速度、液尘粒径比与无量纲展铺系数、无量纲液滴中心高度的关系。结果表明:在近尘时,随着液尘粒径比的增大,液滴形变程度降低。液滴速度越大,其形变程度越大。随着粒径降低,液滴抵抗形变能力逐渐增强。液滴撞击尘粒后,界面处存有气泡,阻碍液滴润湿尘粒,且气泡可发生断裂。液滴速度越大,气泡在压力和剪切应力作用下断裂越快。液滴展铺过程中,速度越大,越易达到最大展铺系数和最小液滴中心高度。随着液尘粒径比增大,初始无量纲液滴中心高度增大。液滴撞击尘粒表面后,无量纲液滴中心高度逐渐降低,其变化幅度逐渐降低。尘粒粒径分别为20,200,2000μm时,随着液尘粒径比增大,无量纲展铺系数相应减小,液尘粒径比大于1时,增大液滴粒径不会提高对尘粒的包裹程度;展铺结束后,有少部分微液滴滞留在尘粒表面。尘粒粒径为2μm、粒径比在0.5~1.5时,液滴展铺过程受到明显抑制,尽管粒径比大于1时无量纲展铺系数最大值稍有增加,但增加量十分微小;展铺结束后,液滴整体滞留在尘粒表面。

AEO_(3)润湿褐煤性能及机理

为探究非离子表面活性剂脂肪醇聚氧乙烯醚(AEO_(3))对褐煤的润湿性能及润湿机理,采用实验与模拟相结合的方法开展研究。利用表面张力和接触角评估AEO_(3)润湿褐煤性能,实验结果显示,AEO_(3)溶液浓度逐渐增加到1.37×10^(-6) mol/L时,表面张力可由71.97 mN/m降为26.38 mN/m,接触角由73.35°降为28.43°。AEO_(3)溶液临界胶束浓度(CMC)为2.80 mmol/L,在达到CMC前,AEO_(3)降低水溶液表面张力和接触角的能力随浓度增加而增加。利用高速摄像技术,开展了液滴撞击实验,引入无量纲展铺系数以表征液滴撞击煤时液滴形态变化。分析得出液滴展铺过程发生动能、表面能、黏性耗散和摩擦耗散之间的动态转换。提高液滴撞击速度、合理添加AEO_(3)能够增大溶液在煤表面展铺面积,缩短润湿时间,利于提高润湿效果。使用Materials Studio软件,通过量子化学方法计算实验材料分子的静电势,并与润湿性进行关联分析,得出褐煤分子和AEO_(3)分子表面最大静电势大于水分子,水分子更容易被吸附,进而表现出润湿现象。通过分子动力学模拟,研究平衡状态时体系中分子相对浓度分布、均方位移及相互作用能,结果显示AEO_(3)作为水分子吸附载体,可以增大水分子在褐煤表面相对浓度,限制水分子扩散,强化水/AEO_(3)/褐煤体系分子间相互作用,提高溶液润湿性能。

控制气氛下的AgCuTi/TiAl润湿铺展动力学

采用热台原位加热法系统研究了不同保护气体流量对润湿铺展过程、润湿铺展最大半径、润湿铺展动力学以及界面组织结构的影响.保护气体为氩气,保护气体流量分别为5,10,15 m L/s;加热曲线设定最高温度为1 273K,保温时间120 s;采用扫描电镜、能谱分析、光学显微镜等分析了界面组织结构.结果表明,保护气体流量为15m L/s时,润湿铺展等效半径最大,原始半径0.9 mm的钎料铺展半径达到约1.4 mm.各种保护条件下,Ag Cu Ti/Ti Al体系的润湿铺展动力学过程相似,铺展半径与时间之间呈n次幂关系,即rn^kt;润湿铺展中钎料熔敷/Ti Al的界面结构为:残余钎料的富银相/Al Cu Ti三元相层(Al Cu2Ti,Al Cu Ti,Ti3Al)/Ti Al母材,保护条件对其影响不大.

双疏水表面润湿和传热动力学研究

为实现润湿图案化的超疏水表面在航空电子设备散热中的应用,本文对液滴撞击双疏水表面(具有疏水性图案的超疏水基质)的润湿行为和传热特性进行了分析.通过使用高速相机和红外相机,我们获取了液滴铺展和回退阶段的动力学以及表面温度和热流量的相应空间分布.本文研究了液滴撞击超疏水、疏水和双疏水表面上的动态润湿和局部传热的差异.此外,本文还分析了表面温度和撞击高度对液滴撞击过程的影响.结果表明,所有表面在铺展阶段都具有相同的润湿特性和相似的传热行为.表面温度变化并不能对铺展阶段表面润湿特性产生较大的影响,液滴铺展时间与表面温度和撞击高度无关.在回退阶段,表面润湿特性的差异使得三个表面之间的传热特性明显不同.双疏水表面特殊润湿特性使得回退阶段液膜的接触线速度存在跳变现象,形成了许多小液滴,增加了接触面积,同时又兼具了超疏水表面的回弹特性.

MgCl_2对动态润湿角的影响

油气藏水驱过程中,存在大量离子交换过程,从而导致水相中离子浓度的改变,为了研究这一动态过程,以石英为研究对象,用接触角测定仪研究了MgCl2浓度对石英表面接触角的影响。结果表明,液固之间的接触角是一个动态变化的过程,接触角总是随时间的增加而减小,减小速度初期较大,后期较小,随着MgCl2浓度的增加,接触角先增加后减小。

混合溶剂诱导PS膜的去润湿过程

采用光学显微镜及原子力显微镜等实验手段研究了聚苯乙烯(PS)膜在水和丙酮混合溶剂诱导下的去润湿过程.实验发现,在亲水基底上,随着丙酮含量的减少,在整个去润湿过程中孔半径与时间呈e指数关系[R～exp(t/τ)],然后呈线性关系(R～t),最后为R～t0.76,并且孔增长机理从成核增长机理转变为取代机理.在疏水基底上,随着丙酮含量的减少,在整个去润湿过程中孔半径与时间呈e指数关系[R～exp(t/τ)],然后呈线性关系(R～t),最后为R～t0.72,孔增长的机理未发生变化.对相同膜厚的高分子薄膜,无论在亲水基底还是疏水基底上,高分子薄膜的滑移效应随着丙酮含量的减少而变化,且在疏水基底上丙酮含量的减少对孔增长动力学的影响比在亲水基底上的影响更大.

NaHCO_3对润湿过程的影响

油气藏碱水驱过程中,通常会改变液固接触关系,本文以接触角为表征参数,探讨了NaHCO3存在使液固接触关系的动态变化,分析了NaHCO3对润湿过程影响,并建立了动态接触角的数学模型。结果表明,接触角变化过程中,接触角逐渐减小,减小速度初期较大,后期较小;NaHCO3降低了水在石英表面的润湿速率,润湿速率随NaHCO3浓度的增加而先增加后降低,不同浓度条件下润湿动力学模型不同。

金属/陶瓷润湿性的实验表征和理论预测研究进展

金属/陶瓷体系的润湿性研究在金属与陶瓷的连接、金属液的熔炼和提纯、浸渗法和液相法制备复合材料等领域都有着重要意义。金属熔体在陶瓷表面的润湿过程中,会出现基板在熔体中溶解、界面吸附和互相反应等,是一种较为复杂的物理化学现象。有关金属/陶瓷润湿性的实验和理论研究一直是国际上材料学领域的热点之一。目前金属/陶瓷润湿性主要通过测量接触角θ(借助Young s方程计算)来得出,润湿性表征方法存在较大局限性,特别是接触角对实验条件高度敏感,其往往难以准确反映润湿性,以及适用于高熔点合金与陶瓷体系的方法较为缺乏。因此,除对接触角测试方法进行改进外,很多研究者也试图通过理论计算来考察润湿性,但至今尚未发展出能够很好地应用于所有金属/陶瓷体系的理论预测模型。润湿性实验表征方法的近期研究主要集中在改良座滴法、滴定法、毛细上升法和感应熔化法等。其中,改良座滴法相比传统座滴法能够消除熔体表面氧化膜的影响。感应熔化法可以使高熔点合金(如Ti合金等)熔化,具有独特优势(相比之下其他几种方法只适用于Al系、Mg系等低熔点合金与陶瓷的体系)。在理论预测模型方面,除直接基于Young s方程,根据表面张力模型来研究润湿性外,也有学者尝试结合Young-Dupré方程,从热力学和原子键的角度揭示反应界面润湿性的内在规律。同时,将润湿视为一种反应现象,对界面反应吉布斯自由能变化和润湿过程中表面相的能量变化加以考虑,也形成了一种新的定性衡量润湿性的标准。此外,研究者还在润湿铺展动力学方面取得了一些重要成果,包括直接根据金属形核理论来计算润湿角,以及利用如流体动力学模型、分子动力学模型、反应控制模型和扩散控制模型等来预测金属/陶瓷体系的润湿速率。本文主要从润湿过程的机制、接触角的测试方法和用以预测润湿性的理论模型三个方面,综述了金属/陶瓷润湿性领域的实验和理论研究进展。

温度对AgCu/光滑TC4体系润湿铺展动力学的影响

研究了试验温度对AgCu/光滑TC4钛合金体系的润湿铺展动力学的影响,实验过程采用座滴法,全程高纯氩气保护。结果表明,试验温度的升高明显促进了AgCu/光滑TC4体系的润湿性和界面反应。当试验温度为1103和1133 K时,AgCu钎料在TC4基板上的润湿铺展过程相似,整个润湿铺展过程大致可分为4个阶段:初始阶段,快速铺展阶段,缓慢铺展阶段和渐进平衡阶段。当试验体系温度为1213 K,化学反应更为强烈,AgCu钎料在TC4基板上的润湿铺展速度明显地加快,整个润湿铺展过程缩短至3个阶段:初始阶段,快速铺展阶段和渐进平衡阶段。试验温度为1103和1133 K时,钎料熔敷/母材的界面结构均为残余的富银相/Ti_3Cu_4/富钛相+Ti_2Cu/TC4基板;当试验温度为1213 K时,其界面结构转变为残余的富银相/Ti_3Cu_4/Ti_2Cu/富钛相+Ti_2Cu/TC4基板。且随着温度的升高,各个界面反应层的厚度均增加,残余的富银相厚度减小。AgCu钎料在光滑TC4基板上的润湿铺展动力学遵循Rn^t模型,试验温度不同,n值有所变化。

粗糙度对金属/陶瓷反应润湿体系高温润湿性的影响

采用真空座滴法研究了基体表面粗糙度（R_a）对AgCu-4.3 at%Ti/Al_2O_3和AgCu-4.3 at%Ti/石墨两个体系润湿性能的影响,其中Al_2O_3的R_a为256~636 nm,石墨的R_a为265~1898 nm。结果表明,基体粗糙度对界面反应层厚度及其侧向生长、润湿动力学和最终润湿角（θ_f）均有很大影响。在1200 K的润湿温度下,随着基体R_a的增加,两个润湿体系的最终润湿角均呈上升趋势;高温反应性润湿体系润湿性的好坏取决于界面反应产物的侧向生长,当基体表面粗糙度增加时,增加了金属液体中活性元素向产物侧向生长前沿扩散的距离,同时粗糙表面的轮廓峰会对三相线的移动产生钉扎作用,因此界面反应产物侧向生长受到抑制;活性元素更易于向界面处扩散,生成更厚的界面反应产物层;当活性金属液体在粗糙表面润湿时,具有相对缓慢的润湿速度,达到润湿平衡的时间也较短,最终导致较大的润湿角。