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.     

水-油界面上聚合物单链的动态性质及疏水相互作用

通过荧光关联光谱研究了不相容的水-油界面上聚乙二醇单链的横向扩散运动,系统地研究了PEO单链的扩散运动速率随着水溶液中电解质NaCl浓度的升高的变化规律,发现随着盐浓度的升高,扩散系数的变化主要取决于油相的黏度,说明NaCl浓度的升高增强了聚合物链与烷烃油相的疏水相互作用.     

方腔内Cu/Al2O3水混合纳米流体自然对流的格子Boltzmann模拟

纳米流体作为一种较高的导热介质,广泛应用于各个传热领域.鉴于纳米颗粒导热系数和成本之间的矛盾,本文提出了一种混合纳米流体.为了研究混合纳米流体颗粒间相互作用机理和自然对流换热特性,在考虑颗粒间相互作用力的基础上,利用多尺度技术推导了纳米流体流场和温度场的格子Boltzmann方程,通过耦合流动和温度场的演化方程,建立了Cu/Al2O3水混合纳米流体的格子Boltzmann模型,研究了混合纳米流体颗粒间的相互作用机理和纳米颗粒在腔体内的分布.发现在颗粒间相互作用力中,布朗力远远大于其他作用力,温差驱动力和布朗力对纳米颗粒的分布影响最大.分析了纳米颗粒组分、瑞利数对自然对流换热的影响,对比了混合纳米流体(Cu/Al2O3-水)与单一金属颗粒纳米流体(Al2O3-水)的自然对流换热特性,发现混合纳米流体具有更强的换热特性.     

基于范德瓦尔斯表面张力模式液滴撞击疏水壁面过程的研究

液滴撞击疏水壁面过程的研究在介观流体力学和微流体作用材料科学的研究中具有重要的理论意义和工程价值. 论文在SPH方法中引入范德瓦尔斯状态方程处理液滴表面张力, 考虑流体粒子之间远程吸引, 近程排斥的内部作用力, 提出了流体粒子与疏水壁面粒子间势能函数与表面张力相结合的作用模式. 通过模拟真空条件下两个静止的等体积液滴相互融合的过程, 验证了计算模式在模拟液滴的表面张力中的有效性. 采用该模式模拟的液滴撞击疏水壁面过程, 不仅能够有效地模拟液滴撞击壁面后的变形过程, 而且清晰地模拟出液滴的回弹、腾空以及二次撞壁现象的完整过程. 模拟结果与液滴撞击疏水壁面的实验结果以及VOF模拟结果符合较好, 表明本文所提出的表面张力和疏水壁面作用力处理模式对模拟液滴撞壁过程具有实际应用价值.     

微纳复合结构表面稳定润湿状态及转型过程的热力学分析

自然界中的微纳复合结构超疏水表面由于其独特的润湿性质引起了人们的广泛关注, 大量实验研究表明了仿生人工微纳复合结构表面润湿性能的优越性, 然而液滴在微纳复合结构表面的润湿状态和转型过程的理论研究还并不完善. 本文首先用热力学方法分析了液滴在微纳复合结构表面可能存在的所有状态(四种稳定润湿状态和五种亚稳态到稳定态转型中的过渡态), 推导出了相应的能量表达式及表观接触角方程; 基于最小能量原理, 确定液滴在微纳复合结构表面的稳定状态, 较以往模型相比, 能够更好的预测已有的实验结果; 其次研究了微纳结构尺寸对稳定润湿状态和亚稳态到稳定态转型过程的影响; 最后提出了微纳复合结构表面设计原则, 即确定“超疏水稳定区”尺寸范围, 为超疏水表面的制备提供理论依据.     

非离子型水溶性卟啉功能化单壁碳纳米管的研究

合成了两种非离子型水溶性卟啉分子,并利用它们对单壁碳纳米管(SWNTs)进行了非共价表面修饰。功能化后SWNTs能够在水中均匀分散。紫外-可见光谱、荧光光谱、透射电镜的测试结果均证明非离子型水溶性卟啉分子与SWNTs之间存在强烈的相互作用。其中,含有柔性烷基取代链的卟啉分子因与SWNTs之间存在π-π和疏水双重相互作用,所形成的复合物在水中表现出更好的分散稳定性。这种既具有水溶性又具有生物相容性和良好稳定性的功能化SWNTs,在生物医药领域具有潜在的应用前景。     

层间阴离子对四元水滑石超分子作用力的影响

构建一价阴离子(X=F^?, Cl^?, Br^?, I^?, NO₃^?, OH^?)插层铜锌镁铝四元水滑石(CuZnMgAl-X)周期性计算模型, 采用密度泛函理论(DFT), 选取CASTEP程序模块, 对体系进行几何全优化, 从结合能、结构参数、Mulliken布居、氢键布居、态密度等角度研究了不同层间阴离子的分布形态以及其对主客体间超分子作用的影响. 结果表明, 随着CuZnMgAl-X体系层间阴离子电负性的减弱, 电子逐渐从层间阴离子向层板发生转移, 主客体间静电作用力逐渐减小, 氢键强度逐渐降低, 禁带宽度逐渐变窄, 体系电子更易向高能级发生跃迁, 稳定性逐渐下降. 此外, Cu的掺杂使得CuZnMgAl-X 体系的价带顶向高能量处发生偏移, 禁带宽度较传统水滑石体系更窄,稳定性更低, 进一步解释了含铜水滑石较难合成的原因.     

纳米结构表面上冷凝液滴的生长模式及部分润湿液滴的形成机制

分析并计算了纳米结构表面上冷凝液滴按照不同途径长大的过程中液滴能量的增加速率, 并以能量增加最小为判据来确定液滴的生长途径. 结果表明, 纳米结构内形成的冷凝液斑在初期按接触角(CA)增加的模式生长时, 其能量增加速率远低于其它模式, 于是, 初始液斑先按增大接触角、并保持底面积不变的模式生长, 直至液滴达到前进角状态. 此后, 沿接触角增加的模式长大所导致的能量增加速率开始远高于其它生长模式, 于是液滴三相线开始移动, 底面积开始增加, 但接触角保持不变. 液滴所增加的底面积可以呈润湿或复合两种状态, 分别形成Wenzel 液滴及部分润湿液滴, 前者的表观接触角一般小于160°, 而后者则明显大于160°. 液滴的生长模式及其润湿状态均与纳米结构参数密切相关, 仅当纳米柱具有一定高度、且间距较小时, 冷凝液滴才能呈现部分润湿状态. 最后, 本模型对纳米结构表面上冷凝液滴润湿状态的计算结果与绝大部分实测结果相一致, 准确率达到91.9%, 明显高于已有公式的计算准确率.     

低温配位-沉淀法合成疏水ZnO及提高泡沫稳定性的应用

以Zn(NO₃)₂·6H₂O为原料,25%氨水为配位剂,用NaOH做沉淀剂,十六烷基三甲溴化铵(CTAB)为改性剂制备了具有不同表面接触角的氧化锌微球.采用X射线衍射,扫描电镜和表面ζ电位技术对其进行了表征,并对合成过程中体系中的组分分布以及各组分对形貌的影响进行了分析.泡沫稳定性的实验结果表明:颗粒质量浓度为0.03%,接触角为52.9°的氧化锌颗粒具有对泡沫最强的稳定作用.同时对颗粒的疏水改性和提高泡沫性的机理进行了讨论.     

表面活性剂对疏水缔合水凝胶性能的影响

通过丙烯酰胺(AM)和丙烯酰胺基十八羧酸钠(NaAAS)共聚合,在没有任何外加化学交联剂的情况下,分别在水溶液和十二烷基硫酸钠(SDS)溶液中通过自由基聚合制备了疏水缔合水凝胶,命名为HA凝胶和SHA凝胶.系统研究HA凝胶和SHA凝胶的机械拉伸性能发现,调节AM和NaAAS的含量,可以使SHA凝胶具有相较不含SDS的HA凝胶更好的力学拉伸性能.HA凝胶在水中不溶解且在纯化和溶胀过程中几乎没有损失,而SHA凝胶体系中的SDS可以扩散出凝胶网络溶解到水中,使得SHA凝胶表现出更加明显的溶胀-去溶胀-平衡溶胀行为;在盐水中由于疏水缔合得到加强,HA凝胶和SHA凝胶都表现出化学凝胶的溶胀特点.在常温下HA凝胶不能实现自愈合,而SHA凝胶具有较好的自愈合能力,并且自愈合效果可以通过SHA凝胶中SDS和聚合物固含量调节.