不同电压幅度刺激下大壁虎脚趾黏附-脱附力测试

爬壁机器人在民用、军事、航天等领域具有重要的应用,基于范德华力的仿壁虎干黏附爬壁机器人有着多环境适应性的优势。壁虎脚趾不同内收与外翻幅度下黏-脱附力对于研制仿壁虎黏附爬壁机器人具有重要的指导意义。通过对肌肉电刺激,不同的电压幅度将产生不同的动作幅度,进而影响黏附-脱附力。为了更好了解大壁虎运动时后脚第三趾脚趾黏附-脱附力与肌电间的关系,将麻醉后的大壁虎左右后脚第三趾分别放置在电磁屏蔽箱内的三维力传感器上,通过电刺激观察壁虎脚趾趾关节肌的收缩舒张来观察其黏附-脱附状态,并采集相应力信号。实验结果表明,壁虎脚趾的脱附力随着刺激电压的增加出现先增加后减少的过程,而其黏附力则是逐渐增加直至趋于平稳,说明壁虎脚趾有一个高黏附-低脱附的区间,即黏附力最大而脱附力最小,为仿壁虎黏附爬壁机器人脚趾的研制和控制方案的设计提供了有效的参考依据。

气泡—矿粒脱附力与矿物浮选关系的研究

采用离心技术对方铅矿、石英的单矿物和混合矿的矿粒与气-黄药溶液界面的粘附强度进行了测定。对混合矿颗粒脱附和下沉时昕需的临界离心力与Nutt和Scheludko单个球粒模型的理论值进行了比较,研究了矿粒大小、初始捕收剂相分散剂浓度对粘附力和浮选效率的影响,并发现矿粒在气-液界面的粘附强度与浮选效率有密切关系。方铅矿-石英人工混合矿的脱附力测量和浮选试验的结果表明:方铅矿与石英矿粒的粒径比对方铅矿的脱附力和浮选选择性有重要影响,并发现力铅矿-石英体系的浮选选择性与混台矿中方铅矿颗粒在气-液界面的粘附强度有密切关系。

浮选颗粒-气泡间脱附过程能量作用机制

浮选颗粒-气泡间稳定性分析是浮选领域内的研究重点,传统脱附理论认为当颗粒所受外力大于颗粒-气泡间最大黏附力时颗粒从气泡表面脱附,忽略了颗粒-气泡间气液固三相润湿周边滑动收缩的动态过程,未考虑脱附力作用时间对脱附过程的影响。为了完善浮选颗粒-气泡间脱附理论,以单颗粒、单气泡为研究对象,采用黏附力测量仪测量颗粒-气泡间脱附过程的临界脱附力和脱附能,并借助颗粒-气泡振动脱附观测系统观察颗粒-气泡在脱附过程中三相润湿周边滑动收缩规律,最后从热力学角度出发提出了一种基于能量分析的颗粒-气泡间稳定性评判方法。结果表明:随着颗粒接触角的增加颗粒-气泡间稳定性增强,发生脱附时需要的临界脱附力和脱附能增大。颗粒-气泡间脱附能由气泡拉伸变形阶段的形变能和三相润湿周边滑动收缩阶段的滑动能两部分组成,两部分能量均随颗粒接触角的增加而增加。颗粒从气泡表面脱附一方面要求外力大于颗粒-气泡间最大黏附力,另一方面还需外力作用足够时间以保证气液固三相润湿周边完成滑动收缩。从能量角度来看,颗粒-气泡间不受外力时可看作是一个处于平衡状态的热力学系统,当外力做功小于脱附能时颗粒-气泡间通过气液、液固和气固界面面积的变化维持稳定;但当外力做功大于脱附能时颗粒与气泡分离。

颗粒性质及溶液环境对颗粒-气泡脱附行为的影响机制

脱附是浮选颗粒-气泡矿化的关键子过程,决定了浮选最终效率及粒度上限,但浮选颗粒-气泡间脱附行为的影响机制并未清晰。为系统性探究颗粒性质及溶液环境对颗粒气泡间脱附行为的影响,通过自主开发的浮选颗粒-气泡黏脱附测试系统及黏附力测试仪,以颗粒气泡间最大脱附力及气絮体中颗粒临界脱附振幅为依据,对不同颗粒性质及溶液环境下颗粒气泡间脱附力及颗粒气泡气絮体稳定性进行了系统性试验研究。结果表明:粒度的提升可增加三相周边周长,从而提升颗粒气泡间脱附力,但质量增加带来的惯性力减小了气絮体稳定性,整体不利于浮选。脱附力及气絮体稳定性均随颗粒疏水性提升而增加,这主要是三相周边周长随颗粒疏水性提升而增加所致。疏水表面粗糙度提升了颗粒表面接触角,脱附力及气絮体稳定性随之增加。颗粒形状参数改变了三相周边周长及三相周边上接触角的分布,且柱状颗粒上表面边缘处接触角取值由Gibbs不等式决定,颗粒接触角滞后性随之改变,颗粒形状因素由此影响了颗粒气泡间脱附行为,不同形状颗粒脱附力大小整体为圆柱>四棱柱>球体。准静态环境下测试的脱附力由表面张力决定而溶液黏度几乎无影响,但气絮体稳定性受表面张力及黏度的联合作用。

DTAB对石英-气泡间相互作用力的影响研究

为了研究(十二烷基三甲基溴化铵)DTAB对石英-气泡间相互作用的影响,采用黏附/脱附测试系统、接触角测量仪和表面张力仪对DTAB体系下亲水性石英玻璃基板与气泡间相互作用力、表面接触角以及溶液表面张力进行了测量。结果表明:在DTAB体系中,石英玻璃基板与气泡间的黏附力/脱附力随着DTAB浓度的增加先增加后减小,在DTAB浓度为1 mmol/L时,脱附力达到最大,为129.9μN;石英玻璃基板表面接触角也呈现类似的变化规律,在DTAB浓度为4 mmol/L时,接触角达到最大,为51.8°,较石英玻璃基板与气泡间黏附力/脱附力而言,接触角的变化具有一定的滞后性。这是由于黏附力/脱附力受石英玻璃基板表面接触角和表面张力协同支配,在DTAB存在体系下,当接触角达到最大时,溶液表面张力已下降至35.95 m N/m,导致石英玻璃基板与气泡间黏附力/脱附力提前出现下降趋势。进一步用浮选动力学试验加以验证,浮选结果表明,当浮选体系中加入1 mmol/L DTAB时可以获得精矿产率为97.10%的指标。浮选结果与黏附力/脱附力曲线得到的结果保持一致。

仿壁虎机器人足端三维力感知模块研制

针对仿壁虎机器人运动控制中存在的黏附失效与脱附冲击问题,提出了一种具有高实时性能、传感/支撑一体化的足端三维力感知模块以提升机器人在非结构环境下的稳定运动性能。首先,通过有限元分析确定了由"马其他十字"与"双悬臂梁"结合的组合式结构;其次,基于实时操作系统设计交互式采集/传输系统实现了对足端三维力数据的实时采集和获取;接着,搭建标定平台并完成了对足端三维力感知模块的标定、解耦及测试;最后,基于该感知模块,实现了对仿壁虎机器人单腿黏附控制。实验结果表明,该足端三维力感知模块不仅可以支撑机器人自身重量,还实时采集足端黏/脱附力,为指导机器人稳定黏附与柔顺脱附打下硬件基础。

原子力显微镜表征不同炭黑表面活性

利用原子力接触模式(AFM)对不同浓度的PVA溶液进行了形貌表征,再将喷雾炭黑、炭黑N774、N375和N234固定在PVA上,表征其形貌和做力曲线。结果表明,当PVA溶液的浓度为2 wt%时,在云母片上形成了均匀、平整的PVA膜;喷雾炭黑的尺寸比较大、分布区间为70 nm^100 nm,炭黑N774、N234和N375的尺寸分别为70 nm、30 nm和30 nm。喷雾炭黑和N375结构较高,聚集体分别呈乱麻状和树枝状。N234和N774分别具有最低和最高的吸附力,为0.176 nN和0.549 nN,N375和喷雾炭黑的吸附力分别为0.469 nN和0.339 nN;N234、N375、N774与喷雾炭黑的脱附力分别为7.102 nN、5.938 nN、3.174 nN与2.343 nN,其中N234的脱附力最高。四种炭黑表面活性次序为:N234>N375>N774>喷雾炭黑。喷雾炭黑表面的活性分布较为集中,其余三种炭黑则较为分散。

紫外光活化柴油强化低阶煤浮选机理探究

为探究紫外光活化柴油对低阶煤浮选的促进作用,利用煤泥浮选试验比较了柴油经紫外光活化前后对低阶煤的浮选效果,通过诱导时间分析、气泡-煤样黏脱附力分析、气相色谱-质谱联用仪(gas chromatography-mass spectrometry,GC-MS)与傅里叶变换红外光谱仪(Fourier transform infrared spectrometer,FT-IR)揭示了紫外光活化柴油强化低阶煤浮选的机理。煤泥浮选试验结果表明:紫外光活化柴油能显著改善低阶煤的浮选效果,提高精煤的可燃体回收率;紫外光活化柴油处理过的煤样诱导时间显著下降,与气泡之间的黏附能力大幅增强,其原因在于柴油经紫外光照射之后,羟基等含氧官能团含量显著增加,有利于其在低阶煤表面的吸附,遮蔽其表面的含氧官能团,增强其可浮性。

新型复合捕收剂强化细粒低阶煤浮选机理研究

低阶煤表面含有丰富的含氧官能团且孔隙发达,用传统非极性烃类油浮选低阶煤时药剂耗量大、可燃体回收率低,针对此问题,将柴油、脂肪酸及其酯类化合物按照一定比例复配,制备了一种新型复合药剂(DK1),并考察了其对低阶煤浮选的效果。通过接触角测量、诱导时间分析以及颗粒-气泡间临界脱附力测量等方法,揭示了新型复合捕收剂强化低阶煤浮选机理。结果表明:同等药剂用量下,DK1可燃体回收率是柴油的2~4倍,同时精煤灰分普遍低于柴油1~4个百分点。新型复合捕收剂处理过后的煤样接触角更大,诱导时间明显缩短至10 ms以内,颗粒-气泡间跳入黏附力、临界脱附力的作用程及其大小均有不同程度增加。DK1的柴油与活性物质产生协同作用,有效覆盖低阶煤表面,显著提高了低阶煤的可浮性,降低了药耗,DK1药剂用量仅为柴油的1/8。