单液滴介观润湿行为理论模型与动态特征

为从介观尺度考察液滴在固体基面的铺展特性,基于格子玻尔兹曼方法(LBM),在D2Q9物理模型中,通过离散速度和作用力,建立单个液滴动态润湿二维模型;利用上述理论模型,结合解析解,验证模型准确性,进一步引入无量纲参数Bond数,表征重力与表面张力相对大小对液滴润湿轮廓的影响,定量分析气-液界面参数和壁面属性对接触角和铺展系数的影响特征。研究结果表明:终态接触角和铺展系数由固体基面固有润湿属性和表面力决定;势能和表面能的相互转化是液滴实现动态润湿的关键,介观尺度下液滴特征半径不大于25时,液滴越大,终态接触角越小,铺展系数越大,一旦超出区间临界值,终态接触角和铺展系数将趋于定值;固体基面属性越大,则亲水性越强,终态接触角越小,液滴越容易铺展;气-液界面属性的绝对值越大,则表面张力越小,铺展系数越大,润湿效果越好。

纳米水滴在纳米粗糙壁面上润湿行为的分子动力学模拟

接触角是固体表面润湿性能的重要参数之一,主要取决于固体的表面化学性质和表面几何构型。今采用分子动力学模拟技术,探讨纳米水滴在纳米粗糙壁面上的润湿行为。模拟结果表明,当壁面粗糙度因子相同时,纳米水滴在纳米栏栅形或纳米方柱矩阵形粗糙壁面上的接触角相差不大。对于疏水粗糙壁面,随着粗糙度因子增加,接触角增加到某一值,然后基本保持不变;随着相面积分数的增加,接触角基本不变,当相面积分数达到0.7,接触角逐渐减小。对于中性粗糙壁面,随着粗糙度因子或相面积分数的增加,纳米水滴的接触角变化不大,纳米水滴为Wenzel接触模式。对于亲水粗糙壁面,纳米水滴的接触角随着粗糙度因子或相面积分数的增加而减小,纳米水滴为Wenzel接触模式。

阳极氧化铝膜的表面接枝改性及润湿行为

目的通过对阳极氧化铝膜(AAO)表面化学接枝甲基丙烯酸甲酯,改变其表面的粗糙度和分子结构,从而实现AAO膜表面润湿行为的可控。方法采用二步阳极氧化法制备六方柱形的多孔AAO膜,结构高度有序,并对AAO膜表面进行硅烷化(KH-570)处理,采用活性聚合的方法在其表面接枝上甲基丙烯酸甲酯。采用原子力显微镜(AFM)、X射线衍射仪(XRD)和接触角测定仪对AAO膜及改性后的AAO膜进行了结构表征和润湿行为研究。探讨了阳极氧化的工艺条件及接枝甲基丙烯酸甲酯对AAO膜的形貌和润湿性能的影响。结果 AAO膜孔径在100 nm左右,六边形孔洞分布均匀,并且六边形孔洞垂直于AAO膜表面,孔洞与孔洞平行,通过对其表面接枝甲基丙烯酸甲酯,使得AAO膜的表面水接触角先增大后减小。结论 AAO膜表面的润湿行为,可以通过AAO膜表面化学改性和表面粗糙度共同作用而得以调控。

甲维盐水分散粒剂药液在甘蓝叶面上的润湿行为

为探明水分散粒剂药液的润湿性能与甘蓝叶表层蜡质的关系,用5%甲维盐水分散粒剂配成浓度为0mg/L、2 mg/L、8 mg/L、32 mg/L的药液,研究其在正常甘蓝叶片和去蜡甘蓝叶片正反面的润湿行为,同时对药液中添加表面活性剂有机硅(Silwet-408)后在甘蓝叶片上润湿行为的变化进行了研究。结果表明:甘蓝叶片正反面的临界表面张力分别为28.51 mN/m和25.91 mN/m,去蜡后提高到34.90 mN/m和33.12 mN/m。各浓度甲维盐水分散粒剂药液的表面张力均大于甘蓝叶片的临界表面张力,接触角大于90°,60 s和120 s后的接触角变化率均小于0.05;蜡质去除后接触角显著减小且均小于90°,但最终仍不能完全润湿展布,接触角变化率均小于0.33。加入质量分数为0.01%的表面活性剂有机硅后,药液的表面张力均小于甘蓝叶片的临界表面张力,初始接触角均显著减小,60 s和120 s后的接触角变化率均显著增大,药液最终完全润湿展布。该研究结果对提高农药利用率和农药剂型的研制有参考价值。

液滴在乳突微柱表面的润湿行为仿真研究

为了探究液滴在金属基微结构表面的微润湿机理,借鉴仿生荷叶表面的乳状凸起,设计了一种乳突微柱结构.对乳突微柱上处于Cassie态的液滴进行理论分析,并利用多项流VOF模型的仿真方法,研究了乳突微柱结构的几何参数对接触角的影响.

高炉内铁-焦界面的渗碳润湿行为研究

高炉内铁水渗碳过程是影响冶炼效率及未饱和铁水对炉缸炉衬侵蚀的重要因素.本文通过高温真空润湿性测试装置模拟了高炉炉缸区的铁水渗碳反应,分析了不同碳质量分数(3.8%、4.3%、4.8%)的Fe-C熔体与质量分数为99.9%的石墨基体在高温下界面间的润湿反应,同时利用扫描电镜(SEM)和能谱仪(EDS)研究了渗碳界面的微观形貌及渗碳距离.结果表明:界面接触角随着Fe-C熔体中碳含量的增加而变大;熔化过程中,接触角随着反应时间延长而减小,并最终趋于稳定;4.8%碳质量分数的Fe-C熔体中由于含碳量已至饱和,处于不润湿状态.扫描电镜分析显示,Fe-C熔体与石墨基体的接触界面形成了"球帽状"凹陷,凹陷半径与体积随碳含量的增加而减小.能谱线扫描分析显示,随着Fe-C熔体中初始碳含量的增加,石墨基体中的碳素溶解量减少,渗碳效果变差,良好的润湿性有利于碳的传质.通过计算表面能发现,石墨基体中碳素溶解进入Fe-C熔体后,有效减小了两者之间的表面能,使得表面张力减小,接触角在熔化期间递减.

超声对激光熔覆成形中熔池润湿行为的影响研究

目的对比有无超声作用下熔体润湿行为,阐明超声对于熔体润湿行为的影响及作用机制,为超声辅助激光熔覆高质量成形提供参考。方法基于高速相机拍摄研究了超声对于液滴润湿性的作用效果,进而研究了超声辅助激光熔覆过程中熔池的润湿行为,使用Canny算法提取熔池轮廓,采用体视显微镜和共聚焦显微镜观察试样宏观形貌,采用光学显微镜观察分析微观组织。结果将超声振动施加于金属液滴,其在基板表面润湿性增强,金属液滴与基板接触面积增大39.3%。在熔覆过程中引入超声振动,熔池面积显著增大。随着超声功率比的增强,熔覆层的熔高降低,熔深减小,熔宽逐渐增大,熔覆层逐渐由弧形轮廓变为扁平。当超声功率比为80%时,熔覆层高度为无超声下的75.2%,熔覆层和基体之间的润湿性显著改善。在微观形貌上,超声能够改变晶粒生长方向,抑制枝晶外延生长。结论超声振动作用于激光熔覆过程中,促进了熔体的润湿作用且加大了熔池流动性。熔体润湿行为的改变导致扁平熔覆层形状的形成,熔覆过程中熔池面积增大,熔池流动性增强,导致晶粒生长方向与枝晶长度的改变。

熔融金属/熔渣-氧化物高温润湿行为实验研究

熔融金属/熔渣-氧化物之间的高温润湿行为对于解析其高温界面现象十分重要。该文设计了一系列熔融金属/熔渣-Al_(2)O_(3)/MgO的接触角测量实验,包括样品的制备、实验重现性和稳定接触角的获得,将熔融金属/熔渣-氧化物的高温润湿行为可视化,并分析了其影响因素。结果表明:实验获得的接触角重现性较好,可用于进行熔融金属/熔渣与各类氧化物之间接触角的测量,且熔融金属材质、熔渣成分、温度等均是影响二者之间接触角的重要因素。熔渣-Al_(2)O_(3)/MgO之间的高温润湿性较好,1600℃时的接触角均在15°以下,远小于90°;而熔融铁液-AlO之间不润湿,接触角为130.03°,远大于90°。

高温下熔融SnAgCu-xTi在SiO2表面的润湿行为

采用改良座滴法研究了高真空、800~900℃条件下熔融Sn0.3Ag0.7Cu(SAC)-x Ti(x=0%、1%、3%,质量分数)在SiO 2表面的润湿行为。研究结果表明:在SAC中添加少量的Ti后,可以显著提高SAC在SiO 2表面的润湿性。当Ti浓度为3%时,Ti未被完全溶解,这是因为随着Ti浓度的增加,在Ti表面会形成一层高熔点的Sn-Ti金属间化合物,进而阻碍Ti的进一步溶解。液固界面反应产物为Ti 5Si 3和TiO,铺展动力学可用反应产物控制模型描述;在铺展过程中,快速铺展阶段首先析出Ti 5Si 3和TiO,线性铺展阶段仅析出TiO。该体系的最终润湿性取决于界面反应产物和界面上Ti-O吸附的共同作用。

液态金属汞在硅片表面的润湿行为研究

针对常温下的液体在固体表面的润湿行为研究。以液态金属汞为研究对象,采用真空等离子体刻蚀工艺制备不同表面形貌的硅片,研究不同硅片的润湿行为,并探究了液滴体积对润湿性的影响。利用金相电子显微镜、白光干涉三维形貌仪以及接触角测量仪分别对不同硅片的表面形貌、表面粗糙度以及润湿行为进行了测量与表征。结果表明:当液滴体积相同时,随硅片表面粗糙度Sa增大,接触角增大;当液滴体积为1μL,表面粗糙度为257.01μm时,测得静态接触角达到最大,为158.3°;而在同一形貌的硅片表面,当液滴体积由1增加到4μL时,硅片表面的接触角呈现逐渐减小的趋势,在致密的网状结构硅片表面,接触角减小的幅度最大,达到11.6°。为今后研究汞在不用材料表面的润湿行为具有一定的参考意义。

不同温度下Sn-0.7Cu钎料在非晶Fe84.3Si10.3B5.4合金上的润湿行为及界面特征

采用座滴法及利用SEM-EDS分别对Sn、Sn-37Pb、Sn-58Bi和Sn-0.7Cu四种钎料在非晶Fe_(84.3)Si_(10.3)B_(5.4)合金上的静态润湿及界面特征进行了对比研究,优选出Sn-0.7Cu钎料作为适用于非晶Fe_(84.3)Si_(10.3)B_(5.4)合金的焊接钎料。进而采用座滴法研究了不同温度下Sn-0.7Cu钎料在非晶Fe_(84.3)Si_(10.3)B_(5.4)合金上的动态润湿行为,并利用SEM-EDS观察分析了其在非晶Fe_(84.3)Si_(10.3)B_(5.4)合金表面润湿后的界面微观组织形貌及成分。结果表明,Sn-0.7Cu钎料在非晶Fe_(84.3)Si_(10.3)B_(5.4)合金上的最终平衡润湿角随着温度的升高而变小,润湿性越来越好;同时Sn-0.7Cu与非晶Fe_(84.3)Si_(10.3)B_(5.4)合金界面上形成的FeSn_2金属间化合物由间断分布变为连续分布,且其厚度逐渐增加,界面反应逐渐增强。

熔融硅酸盐环境沉积物(CMAS)在不同表面粗糙度的热障涂层表面润湿行为

随航空发动机涡轮端进口温度提高,硅酸盐环境沉积物(CMAS)成为高温部件热障涂层(TBCs)失效的重要威胁。研究热障涂层与CMAS的作用关系,可为提高热障涂层的服役寿命提供基础。目前表面粗糙度(Ra)对高温熔体润湿性能的影响并未形成明确统一的定论,针对TBCs/CMAS体系润湿性的研究较少。采用座滴法研究1300℃条件下氧化钇部分稳定氧化锆(YSZ)涂层Ra对熔融CMAS润湿行为和渗透行为的影响。结果表明,在研究的涂层表面粗糙度的范围内,随着Ra的减小,熔融CMAS的润湿半径减小,接触角增大,渗透深度减小。由此推断粗糙表面有利于涂层抗润湿性能的增强。粗糙涂层表面为熔融CMAS铺展提供驱动力,促进三相线的移动;同时,粗糙涂层表面具有更大的实际接触面积以及更多的渗透方向,为CMAS渗透提供了有利条件。研究结果可为进一步开发表面不浸润的抗CMAS腐蚀热障涂层提供理论和实践依据。

超疏水铜表面的制备及其润湿行为研究

以铜为基体材料,采用简单的化学刻蚀法,用HCl,HNO3,HF组成的混酸溶液(化学刻蚀液A)和FeCl3,HCl组成的混合溶液(化学刻蚀液B)两种不同的刻蚀液制备具有超疏水性能的铜表面,研究其润湿行为,并选择化学刻蚀液B,考察刻蚀时间、FeCl3添加量、烘干温度、HCl添加量4个主要因素对所得铜表面润湿行为的影响.结果表明:1)使用两种刻蚀液所得铜表面的接触角分别为158. 6°和153. 6°,该表面具有超疏水性能;2)刻蚀时间、FeCl3添加量、烘干温度、HCl添加量与接触角均先呈正相关后呈负相关关系,所得最大接触角分别为153. 6°,152. 6°,153. 5°,152. 0°,相应上述条件分别为100 min,2 g/L,120℃,3 mL/L.

兰州化物所仿生多相介质表面极端润湿行为调控研究获进展

近期,中国科学院兰州化学物理研究所仿生摩擦学(BMT)课题组在仿生多相介质表面极端润湿行为调控研究中取得重要进展。研究人员利用简单的喷涂、湿化学浸泡及原位合成技术,在多种常见的基底材料上,制备出兼得空气中超疏水和水下超疏油表面、空气中超亲极性-超疏非极性液体表面、有机介质下超双疏液表面和在油-水-气系统中任意一相超疏其他两相的超疏液表面材料。

微重力条件下铟、镉润湿行为研究

在微重力条件下,表面张力成为液体流动的主要驱动力,毛细现象更为显著。我们将铟、镉试样封装在石英试管中,在卫星自由飞行期间加热熔化井缓慢冷却后,考察铟、镉之间以及它们和石英玻璃之间的润湿行为和其他一些表面现象。分析认为:铟在地面和石英玻璃是润湿的,铟、镉是互溶的。但在微重力条件下,铟和石英玻璃不润湿,在试管中形成一小球。我们对铟球的半径、圆度作了测量,对圆度偏差及其产生原因进行了初步探讨。

高炉内渣铁焦界面润湿行为研究现状及展望

高炉作为目前世界上最大的移动床式冶金反应器,保持高炉内良好的透气透液性是保证高炉稳定顺行的关键。高炉内部被软熔带分割开来,分为上部固体散料区和下部固液共存区,下部的固液共存区是决定高炉透气透液性和煤气流分布的重要区域,因此若想明晰高炉影响透气透液性的关键,必须对高炉下部固液共存区的反应进行全面研究。高炉高温区焦炭床与渣铁的相互作用行为是决定铁-焦-渣交互作用及高炉透气透液性的重要因素,调控好液态渣铁与焦炭床的润湿性变化,可以有效改善高炉内部的透气透液性,最终会影响高炉生产效率和稳定性。因此,明晰高炉内渣铁焦的界面润湿行为显得尤为重要。首先对界面润湿现象进行了概述;然后详细从铁水成分以及焦炭性质对铁-焦界面润湿行为的影响进行了总结;其次详细分析了炉渣温度、炉渣成分以及焦炭自身性质对渣-焦界面润湿行为的影响。结果表明,目前高炉内渣铁焦界面润湿行为的研究已经从实验室试验以及基础模拟方面进行了研究,研究结果可为高炉操作者理解高炉内渣铁焦界面润湿行为提供初步理论指导,但仍需在可反映高炉内实际复杂情况的润湿行为变化方面进行深入研究。

硅基双层复合自组装分子膜结构特性及其润湿行为的分子动力学模拟

用分子动力学方法模拟了单晶硅(Si)表面N-3-(三甲氧基硅烷基)丙基乙二胺(DA)-月桂酰氯(LA)(DA-LA)双层复合自组装分子膜(SAMs)的结构特性,得到膜层中DA和LA分子的最佳覆盖率及分布情况。进一步讨论了水滴在DA-LA双层复合SAMs表面的润湿过程,通过接触角和径向分布函数等参量对其润湿行为进行了分析。研究表明:DA分子在Si上覆盖率为50%、LA分子在DA自组装单分子膜(DA SAM)上接枝率为100%时,分子膜呈有序排布,体系能量最低,从分子角度揭示了Si表面覆盖致密SAMs的形成机制。当取最佳覆盖率体系进行润湿机制模拟时,DA-LA双层复合SAMs表面水滴接触角与实验值相似,表现出良好的疏水性。而DA SAM表面由于DA分子短而稀疏,暴露出底层更亲水的羟基分子,从而导致所得接触角较实验偏小;经测量及计算得出,羟基化Si表面自由能最高,表现出较强的亲水性;DA表面次之;DA-LA表面自由能最低,表现出良好的疏水性。进一步分析发现:羟基化Si表面、DA SAM表面与水滴间存在氢键,加强了表面的亲水性,而DA-LA双层复合SAMs表面与水滴间只存在弱范德华力,有利于表面呈现疏水性。

Mn对熔融Zn-Mn合金与X80钢润湿行为的影响

研究了锌液中0.1%~0.5%(质量分数)Mn对X80钢表面润湿行为的影响。采用改良座滴法获得了450℃时Zn-Mn合金的接触角,通过SEM/EDS观察分析样品表面及界面的组织结构,研究了Zn-χMn(χ=0.1~0.5)合金与X80钢基板的润湿行为和界面反应。结果表明:锰元素对锌合金与钢基体间的润湿性反应起到正吸附作用。在450℃时,当熔体中的锰含量为0.1~0.5时,Zn-χMn合金与钢基间的润湿接触角从85°减小到62°。锌合金熔体/X80钢属于反应性润湿体系,生成的界面产物由FeZn_(10)(δ)、FeZn_(13)(ζ)和Fe_(3)Zn_(10)(Γ)/Fe_(5)Zn_(21)(Γ1)相组成,润湿行为受锌合金界面反应影响。在铺展三相线前沿存在前驱膜,前驱膜的出现能够促进润湿。

冷金属过渡条件下铜合金在钛和钢表面上的润湿行为与界面特征

研究冷金属过渡条件下ERCu Ni Al铜合金分别在裸钢板、热镀锌钢板和纯钛板表面的润湿行为和界面特征。结果表明,铜合金在裸钢、热镀锌钢和纯钛表面的润湿性均随着送丝速度的增大而变好,在同等送丝速度下铜合金在裸钢表面的润湿性要好于镀锌钢表面。此体系属于典型的温度依赖润湿体系。铜合金在镀锌钢表面润湿时,由于镀锌层中锌的挥发带走热量使得界面反应温度降低,导致界面反应变弱,润湿性变差;在电弧的作用下,熔滴周围形成了富锌区,其中铝富集于此区域并形成了Al Fe Zn8和Al5Fe2化合物。铜合金在裸钢表面润湿时,由于铝与铁具有较强的亲和力,在电弧的作用下,焊丝中的铝很容易在界面上发生反应,从而形成明显的Cu-Fe-Al界面反应层。铜合金在纯钛表面润湿时,由于Ti在Cu中的固溶度较低,在电弧的作用下,铜和钛互溶形成明显的界面反应层,主要由Ti Cu、Ti2Cu和α-Ti组成。

超疏水结构表面液滴撞击行为研究进展

固体表面的液滴撞击是实际应用中遇到的许多现象的重要部分,如微流控设备、冷却喷雾、喷墨打印、农药喷洒等。此外,通过超疏水结构表面修饰应用设备的功能表面能够显著提高设备的防污、抗粘附等功能,但是这种基于微纳结构的功能性表面抵抗液滴钉扎效应的能力很大程度限制了其应用。因此,研究液滴撞击超疏水表面行为对提高设备的抗腐蚀、自清洁等性能具有重要意义。首先介绍了非均匀表面的润湿理论,然后总结了近年来针对超疏水表面静态和动态液滴润湿行为的研究成果,着重阐述了结构润湿性、物理形貌及冲击速度对液滴接触时间和最大铺展系数的重要影响,介绍了液滴最大铺展系数预测模型的研究进展,进而指出了目前研究的不足之处。最后,对液滴回弹机制和最大铺展系数的研究进展进行了展望。