粗糙表面上的移动接触线和动态接触角

提出一个粗糙表面上移动接触线和动态接触角的数理模型 :毛细数较低时表观接触线前缘存在极薄的前驱膜 ,表观接触线在“湿”固体表面上移动 ,不同于传统模型中认为表观接触线在“干”固体表面上移动 .在Moffatt角区内部流动解的基础上 ,通过引入接触线特征参数表征表观接触线在前驱膜上的滑移程度 ,导出动态接触角的速度关系 .与不同研究者实验数据对比发现量纲 1特征参数反映固体材料特性和表面特性对动态湿润过程的影响 ,与液相的性质无关 .结合前期提出的滞后张力模型 ,对动态法和静态法测量静接触角产生的差异给出合理解释 .

移动接触线及动态接触角数理模型研究综述

Huh-Scriven佯谬表明在连续介质假设下,若固体壁面指定无滑移边界条件将导致移动接触线处速度不连续和力学奇异性。以移动接触线力学奇异性及其消除机制为主线,从微观角度探讨了移动接触线的多尺度特性,综述了湿润过程中动态接触角的数理模型,讨论了仿真过程中针对移动接触线速度的几个处理方法。

动态湿润与动态接触角研究进展

许多工业生产过程涉及到湿润动力学问题,从20世纪60年代开始得到了广泛的研究,迄今仍有很多问题急待解决.本文将对相关研究和进展作一简要的综述和评介.湿润动力学的实验研究表明:动态接触角与接触线移动速度、液体物性、固体衬底物性和表面性质等诸多因素相关.动态接触角随毛细数Ca的变化方式可分为3个区域,Ca<2×10-6,动态接触角为常数,10-6<Ca<2×10-3,动态接触角随毛细数迅速增加,高于某个临界毛细数(大概在5×10-4<Ca<5×10-3)动态接触角随毛细数平缓单增.受实验技术限制,极低毛细数下(2×10-7<Ca<2×10-6)动态接触角的数据很少,仅有的几个研究表明,该区域下动态接触角有反常现象.动态接触角的理论研究主要包括流体力学滑移模型、前驱膜模型、统计力学模型和分子动力学模拟,各种方法均有其优缺点.

动态接触角与接触线上的应力奇点

应用经典的Moffatt解,通过引入接触线特征参数λ’,给出了接触线上的黏性剪切应力,导出了动态接触角和接触线移动速度的关系,解释了文献中两种不同测量方法所得静态接触角不一致的现象.理论所揭示的动态接触角和接触线移动速度的关系曲线和以往文献中的曲线形式基本一致.通过和Hoffman试验数据的比较发现:λ’与流体性质无关,是表征壁面性质的特征参数.初步探讨了λ’的数理意义.

基于Wilhelmy法的单一炭纤维/环氧树脂动态接触角测量及表面能表征

基于Wilhelmy法对日本东丽T700炭纤维/BA202环氧树脂体系动态接触角的测量方法进行研究,利用测试得到的"润湿回线"分析探讨炭纤维与树脂间的浸润过程,并基于此"润湿回线"进行测试条件优化,得到最佳测试条件为纤维伸出测量夹具4 mm、纤维浸入树脂深度2 mm、检测速度1 mm/min、检测阈值0.0002 g和炭纤维单丝根数6根。最后通过测试炭纤维上浆前后与树脂的接触角变化及计算对应的纤维表面能及其组成的变化,得出该表面上浆剂能够提高T700炭纤维的表面能,降低纤维接触角,增强纤维与基体树脂间的结合力,提高其浸润性能的结论。

吊片法动态湿润实验系统

流体动态湿润是非常普遍的自然现象并在各工程领域有重要应用。湿润动力学研究仍面临诸多困难和挑战:该领域的核心问题,即接触线的真实移动机制目前仍未被很好地解决;已有实验结果以牛顿流体为主,对于更常见、更复杂的非牛顿流体的研究近几年刚刚开始,研究成果非常有限。高精度实验测量是湿润动力学研究的基础。本文组建了一套基于Wilhelmy吊片法的动态湿润实验系统,以动态接触角与接触线移动速度测量为核心,兼备流体表面张力和流变性等动态湿润重要影响因素的测量功能,辅以样品密封配置、超声波清洗和精密控温等装置。通过对实际测量校验,证明了系统的可靠性和高精度。

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。

毛细管内两相流体驱替规律研究

模拟了不同半径毛细管中水驱油和油驱水时界面移动的全部过程。为深入理解液-液两相流动机理,建立正确的两相流流动模型提供一定的依据,探索孔隙内流体驱替速度与外加压差之间的关系。根据实验数据,发现它们之间存在很强的规律性,其流动规律明显偏离泊谡叶公式。实验结果表明:两相驱替时界面移动的动态接触角余弦与外加压差之间存在线性关系;进而得到动态毛细管压力与外加压差之间的线性关系;两相驱替时,液体的流动规律是,界面的移动速度与外加压差成线性关系,对于水驱油和油驱水时,直线的斜率不同,其截距是静毛细管压力,转变点的压力与静态接触角和直线的斜率有关。

表面微结构对液滴三相线移动行为影响研究

为研究表面微结构对液滴三相线移动行为的影响,采用标准MEMS工艺在硅基表面加工出了具有不同尺寸及间距的柱状微结构疏水表面。通过多角度光学可视化实验系统,研究了液滴蒸发时,不同微结构区域内液滴三相线移动行为,分析了微结构尺寸及间距对三相线移动特性和蒸发模式的影响。结果表明:处于不同微结构阵列上的液滴在蒸发过程中将出现三相线的非对称移动,液滴两侧出现不同的蒸发模式,且在后退接触角较小的一侧出现了一种不同于目前三种蒸发模式的现象-三相线固定,接触角呈周期性锯齿状波动,最后基于能量原理分析了液滴三相线移动所需能量与后退接触角之间的联系,解释了产生上述行为的原因。

硅油和丙三醇水溶液动态湿润特性实验研究

本文应用Wilhelmy吊片法,进行了牛顿流体(硅油、丙三醇水合溶液)的动态湿润实验。测量了流体的黏度、表面张力和动态湿润过程中动态接触角随接触线移动速度的变化关系,获得了一批高精度的实验数据。根据三类常用理论模型对实验数据进行了拟合,分析了接触线局部区域微观物理机制对动态湿润持性的影响,本文还研究了流体黏度、表面张力和浸润固体的表面能等宏观物理参数对动态湿润的影响,探讨了影响牛顿流体动态湿润过程的关键因素。

聚乙二醇的纳米二氧化硅分散系动态湿润特性

流体动态湿润在工业生产和高新技术的开发中有广泛应用,非牛顿流体动态湿润研究正处于起步阶段,并有着相对于牛顿流体更为实际的应用前景和价值。本文研究了一类具有复杂流变性的聚乙二醇的二氧化硅纳米颗粒分散体系的动态湿润特性。通过液滴铺展法得到了液滴半径随铺展时间的变化关系,以及动态接触角随接触线移动速度的变化关系的实验数据。实验结果表明,该类流体在云母表面上完全铺展,R～t关系符合Tanner定律,结合Starov的理论,分析R～t数据认为该类流体的中剪切速率阶段,即包含剪切增稠段的流变性对动态湿润有重要的影响。现有的动态接触角理论没有针对该类复杂流变流体的专用模型,研究发现分子运动理论模型不考虑黏性耗散,不仅适用于牛顿流体,对本文的θ_D～U数据同样能很好地描述,拟合参数符合物理意义。

新型显示薄膜喷墨打印技术的数学建模与分析

本文将新型显示薄膜喷墨打印技术的关键工艺过程“喷墨打印-干燥/烘烤成膜”中多组分聚合物溶液在压电作用下从喷管内喷出均匀液滴、液滴在基板上着床并融合成均匀的液体薄膜、液体薄膜经过蒸发留下溶质(如有机发光二极管OLED(organic light-emitting diode))形成均匀显示薄膜的3个核心科学问题,在数学上提炼为多组分聚合物流体带移动接触线和动态接触角以及带有蒸发条件的固-液-气多相耦合的自由界面问题.本文首先对这些问题的Newton流的数学模型进行热力学自洽的系统综述和完善,然后对包含相分离、溶剂蒸发和非Newton黏弹性等多物理现象的同类自由界面问题进行成体系的数学建模,对模型的理论分析和数值模拟提出一些研究思路.本文希望通过解决这些数学问题突破新型显示薄膜喷墨打印工艺的关键技术瓶颈,提高打印的良品率,推进产业化,促进数学在解决国家重大需求难题中的应用.本文以新型显示薄膜喷墨打印技术核心科学问题为背景,给数学工作者提出了一些新的重要的数学问题,同时也为相关材料科学家提供了可行的数学方案,为双方搭起了良好的沟通桥梁.

幂律流体Wilhelmy吊片法动态湿润的理论与实验研究

幂律流体的黏度由于会随着剪切应变的变化而变化,其动态湿润机理比牛顿流体更加复杂。本文通过简化的二维吊片法模型,采用楔形区假设和黏性耗散理论建立了适用于幂律流体中剪切稀化流体吊片法湿润的表面张力驱动力和黏性滞动力动态平衡条件下的理论公式,并进行实验.通过对比,发现二维吊片法的理论公式与实验数据符合良好,并计算出楔形区截断长度的大致量级;分析了圆形三相接触线下该公式适用性较差的原因,定性解释了三相接触线形状对幂律型非牛顿流体湿润的影响.

壁面吸附复合液滴的变形与运动特性

流动作用下壁面吸附复合液滴可呈现不同的动力学状态,了解其动力学状态转变及参数影响规律是操控液滴运移的关键.本文基于Front-tracking Method结合广义Navier边界条件建立了能够模拟移动接触线问题的数值方法。主要考察了层液滴毛细数、内层液滴大小、内层液滴毛细数对接触角滞后壁面吸附复合液滴动力学特性的影响。研究发现:外层液滴毛细数越大、内层液滴毛细数越小且内层液滴体积越大,复合液滴更容易从壁面脱附或被流体剪切发生破碎.