纳米通道滑移流动的分子动力学研究

本文采用非平衡分子动力学方法对纳米通道内的Couette流动进行了研究,计算获得了不同壁面和流体间势能作用强度下通道内流体的速度分布和密度分布,反映出可能存在的速度滑移、表观无滑移和负滑移现象,并探讨了速度滑移程度和壁面作用强度之间的关系。     

纳米通道滑移流动的分子动力学模拟研究

本文采用非平衡分子动力学方法对平板纳米通道滑移流动进行了非平衡分子动力学模拟,获得了不同壁面势能和不同温度时流体的速度分布及密度分布。研究结果表明滑移速度在很大程度上决定于流体温度和壁面吸引力作用强度的大小。由于不同壁面吸引力时流体的密度分布受温度的影响规律不同,使得不同壁面吸引力时流体的滑移速度受温度影响规律也不一致。而且,流体结构受壁面流速的影响要受到壁面势能的制约。     

机械剥离折叠石墨烯粘附与纳米摩擦性质

本文用原子力显微镜研究了空气和氮气两种不同气氛环境下的机械剥离石墨烯粘附力,发现氮气环境下的粘附力更小,且石墨烯边缘的粘附力比内部区域大.在氮气环境下探究了折叠石墨烯粘附力与层数的关系及其摩擦性能,结果表明粘附力与折叠石墨烯层数无明显关系,折叠石墨烯各区域的摩擦性能都远超二氧化硅基底,且单层、单层上折叠、双层以及双层上折叠区域的摩擦系数依次降低,分别为0.049,0.031,0.023和0.021,摩擦力也依次降低,折叠处由于层与层之间的结合力弱于相同层数的石墨烯,摩擦性能有所降低,但未发现粘附力与摩擦力之间的明显关系.在采用尖针和球针测量粘附力时,测量历史不会对后续粘附力产生明显影响.对空气环境下出现的新鲜折叠石墨烯的研究表明新鲜折叠石墨烯的折叠区域摩擦力较未折叠区域显著增大.     

纳米通道内液体流动的滑移现象

采用分子动力学模拟方法研究了液态氩在铂纳米通道内的流动，通过改变流体和壁面之间的势能作用获得了流体和通道表面之间浸润性质不同时的滑移现象. 研究发现：液体分子在亲水性通道表面附近呈类固体性质，数密度和有序性较大，而在疏水性表面附近的平均数密度降低，形成一个低密度层；液体流动在固体表面的速度滑移随着液体与表面势能作用的增强而减小，当液体和表面的浸润性不同时可以发生滑移、表观无滑移和负滑移现象；液体在固体表面的表观滑移是液体在固体表面的速度滑移、粘附和流体内部滑移的综合作用的结果. 关键词： 纳米尺度流动 速度滑移 浸润性 分子动力学模拟     

立方氮化硼薄膜的生长特性与粘附性研究

用X射线衍射技术、红外吸收光谱、扫描电子显微镜、X射线光电子能谱对热丝辅助射频等离子体化学汽相沉积法制备的立方氮化硼(c-BN)薄膜的生长特性和粘附性进行了研究.改变生长条件，在Si、不锈钢和Ni衬底上沉积c-BN薄膜，进而研究了c-BN薄膜的质量和生长条件与衬底之间的关系.实验发现，Ni衬底上生长的薄膜c-BN含量较高，且粘附性好.当Si衬底上溅射一层Ni过渡层，再生长c-BN薄膜，薄膜中c-BN含量提高，与Si衬底的粘附性也显著增强. 关键词：     

纳米结构ZnO薄膜的制备及其疏水特性

利用水热法制备出与透明导电衬底附着良好的多种纳米结构ZnO薄膜,包括纳米柱阵列、纳米管阵列、纳米片阵列等,方便集成在多种器件上。并且实现了阵列中纳米柱、纳米管外径的调节,柱外径在50~300 nm范围内可调,管外径在300~1 000 nm范围内可调。几种纳米薄膜均显示出较强的疏水性。在未经任何低表面能物质修饰的情况下,水在外径约300 nm的管状阵列表面的静态接触角已达138°。而在紫外光照射下,这些疏水的ZnO薄膜还可以变得亲水。这些研究结果为ZnO纳米阵列在相关方面的应用提供了重要依据。     

纳米通道内超疏水性表面气泡的运动

疏水表面纳米气泡的运动有重要的应用价值和研究意义。本文采用分子动力学方法,模拟了纳米通道壁面为超疏水性时壁面上气泡的运动状况。在质量力驱动下,随着外界驱动力的增大,两壁面上的气泡被逐渐拉长,同时逐渐变得扁平;前端"接触角"逐渐增大,而后端"接触角"逐渐减小。纳米通道内疏水性表面的纳米气泡随着外部驱动力的变化呈现出不同的形态,变化程度随着驱动力的增大而增大。在不同驱动力作用下,两个气泡总是保持相同的速度,气泡的速度与外力驱动的大小呈线性增长趋势。随着外力的增大,边界层及通道中心速度皆呈现增大趋势。     

微通道疏水表面滑移的耗散粒子动力学研究

了解疏水表面的滑移规律对其在流动减阻方面的应用至关重要.利用耗散粒子动力学(dissipative particle dynamics, DPD)方法研究了微通道疏水表面的滑移现象.采用固定住的粒子并配合修正的向前反弹机制,构建了DPD固体壁面边界模型,利用该边界模型模拟了平板间的Couette流动.研究结果表明,通过调整壁面与流体间排斥作用强度,壁面能实现从无滑移到滑移的转变,壁面与流体间排斥作用越强,即疏水性越强,壁面滑移越明显,并且滑移长度与接触角之间存在近似的二次函数关系.无滑移时壁面附近密度分布均匀,有滑移时壁面附近存在低密度区域,低密度区域阻碍了动量传递,致使壁面产生滑移.     

两步法制备超疏水性ZnO纳米棒薄膜

采用两步法制备了超疏水性ZnO纳米棒薄膜,在用磁控溅射在普通玻璃衬底上生长一层ZnO籽晶层基础上,利用液相法制备了空间取向高度一致的ZnO纳米棒阵列,经修饰后由亲水性转变为超疏水性.用扫描电子显微镜观察了纳米棒的表面结构,用接触角测量仪测出水滴在ZnO纳米棒薄膜表面的接触角为151°±05°,滚动角为7°.用Cassie模型对ZnO纳米棒薄膜的超疏水性进行了验证. 关键词： ZnO纳米棒 超疏水 两步法     

疏水表面滑移流动及减阻特性的格子Boltzmann方法模拟

采用格子Boltzmann方法研究了固体壁面对流体的作用强度与其润湿性的关系,在此基础上进一步模拟了疏水表面微通道内的流体流动,获得了润湿性对疏水表面滑移流动及减阻特性的影响规律,证实了疏水表面表观滑移的存在性并揭示了其产生机理.结果表明,疏水性作用在疏水表面的近壁区诱导了一个低密度层,而表观滑移则发生在低密度层上.表观滑移是疏水表面具有减阻作用的直接原因,减阻效果随滑移长度的增大而增大.对于特定的流体系统,滑移长度是疏水表面的固有属性,仅是壁面润湿性的单一函数,而与流动本身的性质无关.     

基于微空泡效应的疏水性展向微沟槽表面水下减阻研究

超疏水表面在水下的减阻效果随着来流冲刷时间的增加会逐渐减小甚至会出现粗糙增阻的现象,而这种现象的本质在于超疏水表面裂隙中驻留的气相结构在来流的作用下会不断地从表面脱离.针对超疏水表面的裂隙中驻留的气相结构在水下不稳定的情况.本文通过对表面微结构的设计,利用疏水性展向微沟槽结构使驻留在沟槽内部的气相结构被相邻沟槽间的脊状结构挡住,从而不能轻易的被水流冲刷掉.实验结果表明该表面不仅能使气相结构在表面微结构内稳定驻留,而且基于稳定驻留在表面结构内的气相结构,在来流作用下会有新的气相结构生成.虽然表面上不稳定的气相结构会随流速的增加而加剧地脱离表面,但是可再生的气相结构能够补充由于冲刷从表面脱离的气体.最终在固/液界面间构建相对稳定的气模.通过粒子图像测速系统(PIV)对近壁面流场进行分析,可得到大于15%的速度滑移量.     

纳米粒子构建表面的超疏水性能实验研究

采用疏水纳米粉体压片法和岩心吸附法构建了具有微纳米结构的表面,测试了这些表面的接触角,拍摄了水滴在吸附纳米粒子的岩石表面的滚动过程照片,采用扫描电子显微镜(scanning electron microscope,SEM)检测了表面的微结构.实验结果表明：无机纳米粒子经弱疏水性材料修饰后,其表面润湿性由强亲水变为强疏水;疏水纳米粒子吸附表面的接触角均大于120°,滚动角约7°,显示出超疏水特性;SEM照片显示,这些超疏水表面是具有不规则微纳米结构的气固复合面,符合Cassie-Baxter的复合表面模型. 关键词： 超疏水 纳米粒子 微纳米结构表面 接触角     

材料物理的新进展—纳米固体材料

纳米固体材料（ｎａｎｏｍｅｔｅｒ ｓｉｚｅｄ ｍａｔｅｒｉａｌｓ）的出现，引起了国际上物理、材料、化学及工程科学家们的很大兴趣．这是由晶粒或颗垃尺寸为 １—１５ ｎｍ（１ｎｍ＝１０－９ｍ）的超细金属、陶瓷、高分子组成的固体材料．与固体中传统的晶体、非晶体不同的是，纳米晶体材料中存在着既无长程序、又无短程序的新的固态结构．由于其特殊的原子组态，已观察到一系列不寻常的物理学和力学效应。同时也为制备相图限制之外的合金或具有特殊结合键的新型材料提供了可能性．     

双尺度疏油结构纳米通道滑移效应的研究

针对双尺度结构表面疏油特性的优异性,采用分子动力学的方法建立油液流体正十六烷烃分子模型,研究双尺度结构壁面润湿性影响下的纳米通道内流体的流动特性,通过对通道壁面亲疏油性下的双尺度结构的构建,与光滑壁面和单尺度壁面进行比较来探究双尺度纳米通道表面结构影响下油液流体在纳米通道内密度分布、速度分布、速度滑移和滑移长度的影响.模拟结果表明:对于亲油通道壁面,双尺度结构壁面亲油性明显加强,主流区域流体密度、流体速度和速度滑移都减小,甚至出现负滑移;而对于疏油通道壁面,双尺度分层结构能加强壁面的疏油性,通道内壁面形成稳定的气层使流体主流区域的密度增大,并且通道内流体的速度、速度滑移和滑移长度明显大于光滑和单尺度结构壁面.因此,纳米通道内双尺度结构能改变通道壁面的润湿性,并且能够加强流体在纳米疏油通道内的滑移减阻效应,为纳米通道内油液运输以及润滑薄膜减阻提供了设计基础.     

非对称纳米通道内流体流动与传热的分子动力学

采用分子动力学方法研究了流体在非对称浸润性粗糙纳米通道内的流动与传热过程,分析了两侧壁面浸润性不对称对流体速度滑移和温度阶跃的影响,以及非对称浸润性组合对流体内部热量传递的影响.研究结果表明,纳米通道主流区域的流体速度在外力作用下呈抛物线分布,但是纳米通道上下壁面浸润性不对称导致速度分布不呈中心对称,同时通道壁面的纳米结构也会限制流体的流动.流体在流动过程中产生黏性耗散,使流体温度升高.增强冷壁面的疏水性对近热壁面区域的流体速度几乎没有影响,滑移速度和滑移长度基本不变,始终为锁定边界,但是会导致近冷壁面区域的流体速度逐渐增大,对应的滑移速度和滑移长度随之增大.此时,近冷壁面区域的流体温度逐渐超过近热壁面区域的流体温度,流体出现反转温度分布,流体内部热流逆向传递.随着两侧壁面浸润性不对称程度增加,流体反转温度分布更加明显.     

Fe-Cu-Si-B纳米晶合金的结构与性能

利用非晶晶化法制备了(Fe_0.99Cu_0.01)₇₈Si₉B₁₃纳米晶合金。发现其显微硬度H_v与晶粒尺寸d之间基本服从Hall-Petch关系。利用M?ssbauer谱研究了晶粒尺寸为30nm的材料中类金属原子的分布及其对晶化相电子结构的影响。 关键词：     

纳米颗粒吸附岩心表面的强疏水特征

通过将疏水的纳米颗粒吸附在岩心微通道壁面,可以形成具有类荷叶表面的双重微结构表面,从而在注水开发的过程中在岩心微通道壁面产生水流滑移,达到降低注水压力、增加注水量的目的.研究纳米颗粒吸附岩心切片表面的强疏水特征对纳米颗粒吸附法减阻技术具有重要的意义.本文简要叙述了荷叶、蚊子腿以及水黾腿的超疏水特征;介绍了制备具有亚微米、纳米双重微结构的强疏水表面的纳米颗粒吸附法;给出了规则排列时纳米颗粒吸附岩心切片表面的强疏水特征的物理机制,根据真实的纳米颗粒吸附岩心切片,给出了接触角的范围,计算结果与实验数据一致.岩心流动实验结果表明,经纳米颗粒分散液处理后,岩心的平均水相渗透率提高94%.     

木质材料产生的摩擦也可能出现以粘附作用为主

摩擦力的本质问题一直以来都有两种说法,即凹凸啮合说和粘附说,人们通过不断实验和分析计算,发现上述两种说法提出的机理都能产生摩擦力,其中粘附说提出的机理比啮合说更普遍.还有个比较认同的观点是:金属材料产生的摩擦以粘附作用为主,木质材料产生的摩擦以啮合作用为主.笔者认为:"如果木质材料表面做得足够光滑和平整,它们之间产生的摩擦也会出现以粘附作用为主".本文介绍的实验能间接说明这个问题.     

一维纳米限域物质的结构

低维材料的结构探索是我们全面认识元素物态的关键.近年来,研究方法的发展使包括一维原子链在内的各种低维结构逐渐被报道.根据一维限域材料的发展现状,本文重点对直径1 nm以下单质材料的结构和物理性质进行了综述,并简要总结了此类研究中常用的实验技术和理论方法.希望通过材料结构特性的解读和研究方法的讨论,说明目前理论计算层面存在的困难及需要面临的挑战,并以此对一维限域材料的研究前景进行展望.