粗糙壁面上水纳米液滴润湿性的分子动力学模拟

采用分子动力学模拟技术,研究水纳米液滴在粗糙壁面上的润湿性,探讨壁面形貌、柱高和相面积分数对接触状态和接触角的影响。模拟结果表明,在粗糙度因子相同的情况下,水纳米液滴在栏栅形、方柱矩阵形及凹坑矩阵形三种粗糙壁面上的接触角相差不大。对于疏水性壁面,当柱高较小时,水纳米液滴的接触状态为Wenzel模式;当柱高较大时,接触状态为Cassie模式,随着柱高的增加,接触角逐渐增大。在不同的相面积分数下,接触状态始终处于Cassie模式;随着相面积分数的增加,接触角逐渐减小。对于中性壁面,水纳米液滴的接触角随柱高变化不大,接触状态均为Wenzel模式。当相面积分数较小时,接触状态为Wenzel模式;当相面积分数较大时,接触状态为Cassie模式,接触角基本不变。对于亲水性壁面,当相面积分数较小时,水纳米液滴的接触状态为Wenzel模式;当相面积分数较大时,接触状态为Cassie模式。在不同的柱高下,接触状态均为Wenzel模式。     

纳米氩液膜蒸发行为的分子动力学模拟研究

采用非平衡分子动力学模拟技术,探讨模拟温度、能量系数、粗糙度因子、相面积分数等对纳米氩液膜蒸发行为的影响。模拟结果表明:纳米氩液膜在光滑壁面或纳米结构粗糙壁面上的蒸发,存在恒速蒸发和降速蒸发两个阶段;在各个蒸发阶段,蒸发通量相差不大;蒸发过程达到平衡后,纳米栏栅形粗糙壁面吸附的氩原子数最多,纳米方柱矩阵形的次之,光滑壁面的最少。对于光滑壁面上的纳米氩液膜蒸发,随着模拟温度的提高,恒速蒸发阶段的时间变短,蒸发通量迅速增大;在恒速蒸发阶段,能量系数对蒸发通量几乎没有影响;在降速蒸发阶段,随着能量系数的增加,固体壁面吸附的氩流体分子数增大。对于纳米栏栅形粗糙壁面上的纳米氩液膜蒸发,随着粗糙度因子或相面积分数的增大,恒速蒸发阶段的时间增加,蒸发通量减小;当蒸发过程达到平衡后,固体壁面吸附的氩原子数增多。     

水-正十六烷混合物纳米液滴润湿特性的分子动力学模拟

采用分子动力学模拟方法,研究了水-正十六烷混合物纳米液滴在光滑及粗糙壁面上的润湿特性。模拟结果表明,对于光滑的疏液性和亲液性壁面,随着温度的升高,混合物纳米液滴的接触角呈总体增大的趋势;随着正十六烷体积百分数的增加,混合物纳米液滴的接触角增大。对于疏液性粗糙壁面,随着凸起高度的增加,混合物纳米液滴的接触状态由Wenzel模式转换成Cassie模式,其接触角逐渐增大;随着凹陷宽度的增加,混合纳米液滴的接触状态由Cassie态转变为Wenzel态,其接触角总体上是减小的。对于亲液性粗糙壁面,混合物纳米液滴的接触状态均为Wenzel模式;随着凸起高度的增加,接触角呈总体增加的趋势。     

固着纳米水滴接触角滞后的分子动力学模拟

采用分子动力学模拟技术,研究了固着纳米水滴的接触角滞后。模拟结果表明,无论是光滑壁面还是纳米粗糙壁面,随着壁面作用势能的增大,纳米水滴的接触角滞后增大。在壁面作用势能相同的条件下,纳米水滴在纳米粗糙壁面上的接触角滞后要大于光滑壁面,方柱矩阵形比栏栅形纳米粗糙壁面的接触角滞后更大。     

粗糙疏水表面冷凝形核特性研究

为了研究疏水基底粗糙度对形核特性的影响规律,采用腐蚀及修饰的方法得到具有不同粗糙度的疏水基底,通过对基底表面粗糙度因子的计算和表观润湿角的测量,考察了基底粗糙度对基底表面水的表观润湿角的定量关系;在制备的粗糙基底上进行了冷凝蒸汽形核实验,利用统计方法得到基底粗糙度因子与冷凝液滴数量的关系。结果表明:基底微观形貌对水在基底表面的表观润湿性和形核特性具有显著影响,对于疏水基底,随着基底粗糙度的增加,水滴在其表面的表观润湿角增大;相同的基底过冷度下,越粗糙的基底表面蒸汽冷凝形核点越少。分析认为,基底微观形貌通过影响液胚在其表面的表观润湿角,进而改变异质形核功,造成了粗糙基底表面形核特性的改变。实验现象与基于Wenzel模型的粗糙基底异质形核理论取得了一致。     

纳米水滴在光滑壁面上润湿行为的分子动力学模拟

采用分子动力学模拟技术,研究了纳米水滴在光滑壁面上的润湿行为规律。模拟结果表明,壁面宽度、厚度以及水分子数对接触角及汽—液界面厚度的影响不大。随着壁面作用势能的减小,接触角线性增大;当壁面作用势能为1.674 k J/mol时,接触角约为90°。随着温度的提高,汽—液界面厚度逐渐增大;疏水壁面的接触角随温度的提高而逐渐增大;对于中性壁面,温度对接触角影响不大;亲水壁面的接触角随温度的提高而逐渐减小。     

基于液液非均相的离散相润湿性能影响分析

多层斜板重力沉降分离器分离液液非均相物系过程中，离散相与接触壁面的润湿特性对分离效率有明显的影响。利用可视化与图像后处理技术，实验研究了水下环境中配比不同碘质量分数的CCl₄油滴与3种常用板材的润湿性能。结果表明：聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)和不锈钢为水下亲油表面，玻璃为水下疏油表面。水下油滴含杂质质量分数相同的条件下，与玻璃表面的接触角较大，PMMA和不锈钢表面接触角接近。随着油滴含杂质质量分数的增加，水下油滴在PMMA表面的接触角增大，润湿时间增加；在玻璃表面接触角减小，润湿时间基本不变；3种材质表面滑动角均呈现减小趋势。该研究对液相环境下离散相油滴在壁面上润湿性能提供基础数据，为相关设备的选材和角度设计提供优化设计方案。     

随机粗糙表面上剪切变稀流体液滴的沉积过程模拟

采用计算流体力学相场方法模拟了单个剪切变稀非牛顿流体液滴在随机粗糙表面的沉积过程,并分析揭示了随机粗糙表面形貌对液滴运动状态及平衡状态的影响。结果表明,在指定的相同操作条件下,即使在光滑表面,剪切变稀流体液滴比牛顿流体液滴铺展更大且回缩至平衡所需时间更少,不存在二次铺展;剪切变稀流体液滴最大铺展直径随均方根粗糙度Rr与Wenzel粗糙度Wr的增加而略有增加。Wr相同时,随着Rr增大,液滴最终铺展系数减小,高度系数增大,平衡接触面积及接触角有所减小。在Rr相同情况下,随着Wr增大,液滴达到平衡所需时间缩短,平衡接触面积线性增大。     

随机粗糙表面上剪切变稀流体液滴的沉积过程模拟

采用计算流体力学相场方法模拟了单个剪切变稀非牛顿流体液滴在随机粗糙表面的沉积过程,并分析揭示了随机粗糙表面形貌对液滴运动状态及平衡状态的影响。结果表明,在指定的相同操作条件下,即使在光滑表面,剪切变稀流体液滴比牛顿流体液滴铺展更大且回缩至平衡所需时间更少,不存在二次铺展;剪切变稀流体液滴最大铺展直径随均方根粗糙度Rr与Wenzel粗糙度Wr的增加而略有增加。Wr相同时,随着Rr增大,液滴最终铺展系数减小,高度系数增大,平衡接触面积及接触角有所减小。在Rr相同情况下,随着Wr增大,液滴达到平衡所需时间缩短,平衡接触面积线性增大。     

固着纳米液滴润湿及汽—液界面特性的分子动力学模拟

随着溢油事件的频繁发生,特殊浸润性表面在油水分离中的应用引起广泛关注。用分子动力学模拟方法,研究纳米水滴在光滑壁面上的润湿及汽—液界面特性,探讨了水分子数、能量系数及温度对接触角、汽—液界面厚度的影响。模拟结果表明,水分子数对接触角及汽—液界面厚度的影响都不大。随着能量系数的增加,接触角线性减小,汽—液界面厚度变化不明显。温度越高,汽—液界面厚度越大。不同能量系数下,接触角随温度的变化规律有所不同,当能量系数1.8,接触角随温度线性增加;当能量系数=1.8,接触角几乎不变;但能量系数1.8,接触角随温度的增加而降低。     

正十六烷纳米液滴在光滑壁面上润湿行为的分子动力学模拟

采用分子动力学模拟技术,研究了正十六烷纳米液滴在光滑壁面上的润湿行为规律。模拟结果表明,壁面厚度、长度(或宽度)、截断半径及分子数对接触角的影响不大。随着壁面作用势能的增大,接触角线性减小;当壁面作用势能为0.5 k J/mol时,接触角约为90°。随着模拟温度的提高,接触角逐渐减小。     

SiC模具高温模压石英玻璃物相接触角的分子动力学模拟

针对高温下石英玻璃纳米液滴在SiC模具表面接触角难以测量的问题,采用分子动力学方法,模拟研究了不同温度和粗糙表面面向模压的SiO2/SiC高温接触角以及SiO2熔体的界面结构.应用压力张量法发现了MS-Q势函数模拟的SiO2熔体表面张力较接近实际值,即SiO2高温表面特性模拟可优先采用MS-Q势函数.针对SiC模具纳米级表面的粗糙度,发现当粗糙度因子r>1.5时润湿模式由Wenzel变为Cassie-Baxter,此时Ra的变化对接触角值无明显影响,Rmr值减小使得接触面积分数f减小,接触角值随之增大.因此,保持r大于1.5的同时适当减小Rmr值有利于减小固液摩擦,降低石英玻璃工件和SiC模具界面上的脱模力.随着温度升高SiO2表面结构变得松散,导致其在SiC表面接触角减小.在超过2300K时接触角值的变化率增大,为减小工件-模具界面的粘附,模压温度应选择2300K以下.     

纳米Fe3O4稳定的Pickering型ASA乳液

利用纳米Fe₃O₄作为稳定剂和乳化剂来制备Pickering型ASA（alkenyl succinic anhydride） 施胶乳液,并研究了固体颗粒浓度、油水比、水分散相pH对乳液类型、稳定性、形态及施胶性能的影响。结果表明,纳米Fe₃O₄能够乳化制备均一稳定的Pickering型ASA乳液。乳液在室温下静置稳定,析出油相体积分数随固体颗粒用量的增加而增大,随油水比的增大而减小。油水比为2：1,水分散相浓度为0.1%（质量分数）时制备的ASA乳液稳定性最佳。固体颗粒部分吸附在油/水界面处,部分分散在分散相中,随分散相中固体颗粒浓度的增加,乳液稳定性变差。乳液静置分层之前,ASA发生部分水解。在放置1 h后用于纸页浆内施胶,随ASA乳液用量的增加,纸页表面接触角逐渐增大,且纸页表面粗糙度下降。在ASA的添加量为1.0%（质量分数）时,纸页表面接触角达到93.5°,纸页表面粗糙度为15.924 μm。     

氧化镁壁面上水纳米液滴润湿性的分子动力学模拟

采用分子动力学模拟技术,研究氧化镁壁面-水纳米液滴体系的润湿特性。探讨了温度对密度分布及接触角的影响,研究了水分子在氧化镁近壁处的排布规律。模拟结果表明,氧化镁壁面具有润湿水纳米液滴的特性;随着温度的升高,氧化镁壁面-水纳米液滴体系的接触角不断减小,即润湿性不断增强。氧化镁近壁处的水分子中的两个氢原子,一个靠近氧化镁壁面,另一个远离氧化镁壁面。     

超疏水表面润湿性能研究

润湿性能是固体表面的重要特征之一,具有特殊润湿性和可控润湿性材料因其巨大的应用潜力而成为人们关注的热点。介绍超疏水状态下Wenzel和Cassie-Baxter两种接触角模型及其相互关系,讨论了微纳米结构对疏水表面接触角的影响,总结了近年来超疏水表面制备技术的研究进展,并展望了超疏水表面润湿理论研究前景。     

柔性陶瓷复合涂层在油田集输管线防垢中的应用研究

无机微纳米陶瓷粉为填料,加入溶剂、稀释剂、固化剂,涂刷在金属表面可以得到柔性陶瓷复合涂层。通过扫描电子显微镜(SEM和接触角测试表征,研究涂层表面结构与润湿性能的关系。研究表明,涂层表面的乳突结构能够增大水滴角,有效降低材料表面能,减小成垢离子在涂层表面的接触面积。柔性陶瓷复合涂层在油田管道现场挂片实验,展现出良好的防垢效果。     

微细通道纳米制冷剂流动沸腾阻力特性

分别以质量分数为0.2%、0.5%和0.8%的Al₂O₃-R141b纳米制冷剂和纯制冷剂R141b为工质,在水力直径为1333μm的矩形微细通道内进行了流动沸腾实验,分析了纳米颗粒浓度对工质两相摩擦压降的影响,对比了实验前后换热壁面的表面能。研究结果表明：实验工况相同时,质量分数为0.2%、0.5%和0.8%的纳米制冷剂的两相摩擦压降均比纯制冷剂低,降低的最大幅度分别约为11.6%、14.8%和19.2%;实验后纳米颗粒在换热壁面附着,使壁面表面能增大,质量分数为0.2%、0.5%和0.8%的纳米制冷剂实验后换热壁面表面能比实验前分别增大了1.26倍、1.44倍和1.91倍,减小了换热表面的粗糙度和提高其润湿性,使得工质两相摩擦压降减小;根据实验值与模型预测值的对比情况,对Qu-Mudawar模型进行修正,拟合得到的关联式能很好预测实验值,平均绝对误差为9.78%。     

建筑用16Mn钢超疏水膜层的制备及耐蚀性研究

为提高建筑用16Mn钢的耐蚀性,采用磷化处理、铈盐钝化再经过硬脂酸修饰在16Mn钢表面制备出超疏水膜层。表征了膜层微观形貌和成分,并测试了表面粗糙度、水滴接触角和耐蚀性。结果表明:铈盐钝化、硬脂酸修饰后磷化膜的微观形貌、成分和表面粗糙度存在差异,导致表面润湿性和耐蚀性不同。只是通过增加表面粗糙度的方式无法制备出超疏水膜层,膜层呈亲水性或超疏水性与其耐蚀性之间存在关联性。钝化-修饰磷化膜表面水滴接触角达到150.7°,表现出超疏水性还具有良好的耐蚀性,能有效抑制16Mn钢腐蚀从而提高其耐蚀性。原因是钝化-修饰磷化膜表面形成微纳米粗糙结构,有利于俘获空气形成气垫,对腐蚀介质具有较好的阻隔作用,有效抑制腐蚀并降低腐蚀程度。     

建筑用16Mn钢超疏水膜层的制备及耐蚀性研究

为提高建筑用16Mn钢的耐蚀性,采用磷化处理、铈盐钝化再经过硬脂酸修饰在16Mn钢表面制备出超疏水膜层。表征了膜层微观形貌和成分,并测试了表面粗糙度、水滴接触角和耐蚀性。结果表明:铈盐钝化、硬脂酸修饰后磷化膜的微观形貌、成分和表面粗糙度存在差异,导致表面润湿性和耐蚀性不同。只是通过增加表面粗糙度的方式无法制备出超疏水膜层,膜层呈亲水性或超疏水性与其耐蚀性之间存在关联性。钝化-修饰磷化膜表面水滴接触角达到150.7°,表现出超疏水性还具有良好的耐蚀性,能有效抑制16Mn钢腐蚀从而提高其耐蚀性。原因是钝化-修饰磷化膜表面形成微纳米粗糙结构,有利于俘获空气形成气垫,对腐蚀介质具有较好的阻隔作用,有效抑制腐蚀并降低腐蚀程度。     

化学刻蚀法制备黄铜基超疏水表面

采用含有三氯化铁和盐酸的水溶液刻蚀金属黄铜表面，在黄铜表面上得到了一层由不规则块状结构和更细小的乳突状结构相结合的具有双重粗糙度的阶层结构。该表面经氟化处理后表现出超疏水性，水在该表面上的接触角达到了157°，接触角滞后为5°。考察了不同刻蚀时间对表面疏水性的影响，结果表明，刻蚀时间对表面上这种阶层结构的形成和水滴在表面上的接触角数据都有十分重要的影响。随着刻蚀时间的增加，表面上逐渐开始形成粗糙结构，接触角数据也不断增加，增加到一定数值后，接触角变化开始不明显。接触角滞后随着接触角的增加而减小。初步分析了这种阶层结构的形成机制，并用Cassie理论对表面的润湿性进行了分析。