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关键词： 纳米SiO2   润湿性调控   非水相溶剂   表面张力   发泡性能  

摘要： 非水相泡沫在石油开采、石油化工、食品加工和多孔功能材料等领域有着十分广泛的应用。然而,非水相溶剂自身具有的低界面张力和低介电常数,致使发泡难度增加。纳米二氧化硅(SiO)颗粒由于具有优良特性,通过接枝改性调控其表面润湿性能,在非水相溶剂中的发泡研究工作受到关注。本论文探究纳米SiO表面润湿性对非水相溶剂发泡性能的影响,揭示纳米SiO表面润湿性对非水相溶剂发泡性能的影响规律。取得了下列具有创新性的研究成果:1、采用溶胶-凝胶法制备粒径可控且单分散性较好的纳米SiO颗粒。探究最佳实验条件,并用Zeta电位分析仪、透射电子显微镜和场发射扫描电子显微镜对纳米SiO颗粒的粒径分布和微观形貌结构进行表征。2、分别采用有机氯硅烷法和硅烷偶联剂法实现纳米SiO颗粒表面润湿性的调控。通过改变二氯二甲基硅烷(DCDMS)、γ-(甲基丙烯酰氧)丙基三甲氧基硅烷(KH-570)、γ-氨丙基三乙氧基硅烷(KH-550)用量、反应温度以及反应时间,探究其对纳米SiO颗粒表面润湿性的影响。并用Zeta电位分析仪和接触角测量仪对纳米SiO颗粒粒径和表面润湿性进行表征。通过场发射扫描电子显微镜、透射电子显微镜对纳米SiO颗粒的微观形貌进行表征,通过傅里叶变换红外光谱仪对其结构进行分析表征,采用热重分析仪对纳米SiO颗粒的热稳定性进行分析。3、揭示DCDMS修饰的系列润湿性的纳米SiO颗粒在不同极性溶剂中的发泡性能的影响规律。当改性纳米SiO颗粒的浓度为7.0wt.%,纳米SiO颗粒接触角分别为90.75°、86.0°、79.0°、70.5°、66.75°和52.0°时,分别在水、甘油、甲酰胺、乙二醇、乙酸苄酯和α-溴萘中所形成的泡沫体积达到最大值,含气率分别为75.0%、62.5%、70.0%、57.1%、50.0%和45.5%。因此,随着溶剂极性的增大,纳米SiO颗粒的最佳接触角也在增大,发泡性能随之增强,发泡溶液的表面张力降低量最明显,分别为37.5m N/m、23.1 m N/m、25.0 m N/m、14.2 m N/m、8.0 m N/m和6.0 m N/m。对于非极性有机溶剂正十二烷和甲苯,改性纳米SiO颗粒则不具备发泡能力。4、探讨溶剂极性对非水相溶液的影响规律。随着溶剂极性的增大,发泡溶液表面张力的降低量越大,其表面活性增强,越有利于泡沫的形成,发泡体积随之增大。随着改性纳米SiO颗粒浓度的增大,发泡溶液的表面张力降低就越大,发泡性能得到增强。当改性纳米SiO颗粒浓度为7.0wt.%时,最佳接触角下的改性纳米SiO颗粒加入到水、甘油、甲酰胺、乙二醇、乙酸苄酯和α-溴萘等六种溶剂中,其形成的发泡溶液表面张力降低幅度最大,发泡体积最高。

关键词： 华北克拉通   地球化学特征   地热水   温泉气   土壤气   同位素  

摘要： 华北克拉通是典型的古老且巨大的克拉通之一。由于晚中生代太平洋板块向西俯冲以及华北板块和扬子板块的碰撞,使得华北克拉通东部和西部的岩浆作用、构造活动、岩石圈结构等发生了明显差异,这与克拉通稳定的属性是相悖的。由于华北克拉通发生的特殊的破坏作用,被学者广泛关注。目前的研究表明,华北克拉通西部保留了稳定的属性,整体呈现出盆地的框架,岩浆作用和构造活动较弱。而华北克拉通东部早白垩世发生大规模的火山活动,发生明显的韧性构造变形、地壳减薄和岩浆活动等,在新生代后趋于平静。近年来,对于华北克拉通破坏的时间、范围和机制等科学问题是研究的热点,根据岩浆作用与浅部地质作用响应的相关性,探究地表浅层地质构造与克拉通破坏的深部过程也是重大的科学问题之一。华北克拉通的地震活动性高,除鄂尔多斯地块内部外,中强地震几乎遍布在整个华北地区,是地震科学研究的天然实验场。流体连接着地球不同圈层,是地球内部最为活跃的物质组分与介质之一,也是地球内部能量释放的窗口和表现形式。并且由于其分布广、反应快等特点,可以灵敏、客观的的反应地下环境的状态与变化。已广泛的应用到地球深部动力机制、构造活动、地震活动等研究领域。地质流体中,最为直观、方便观测的组分包括天然泉水、地热气体和土壤逸出气体等。本文根据华北克拉通范围内地热温泉流体(地热水和泉水样品123个和逸出气体样品26个)及华北克拉通东部一条典型地震活动强的断裂(唐山断裂)周缘土壤气体通量(Rn和CO2测点190个)地球化学特征,分析了华北克拉通不同构造单元流体的来源和特征,讨论了流体来源和特征差异的成因;探究了唐山断裂带土壤气Rn和CO2通量的空间分布特征及其控制因素。同时,讨论了华北克拉通范围内流体地球化学特征与地震活动的关系。地热、泉水的结果表明华北克拉通范围内水化学类型丰富,阳离子以Na+、K+为主,西部地区具有更高的TDS值,水-岩反应是控制水化学类型的主要因素;多数地热、泉水属于部分成熟水和未成熟水,但东部地区更趋于三元图的Mg角,与地热水稀释作用有关。华北克拉通东部和中部地区的地热水来源为大气降水,中部阳高盆地的高温地热水发生氧漂移现象。东部地区较西部有更富集的δD,与区域内存在巨厚碳酸盐沉积层有关。东部的补给高程平均值为1487.6 m,西部为1906.9m,存在补给高程差异。K-Mg离子温标结果显示,西部地区热储温度平均值为38.4℃,东部和中部地区平均值为80.7℃,与区域内大地热流值的空间一致性较好。华北克拉通范围内历史大震与高热储温度高值、温泉的分布位置空间一致性较好,且大震主要发生在华北克拉通的4条地震带上。温泉气体的结果表明华北克拉通东部和中部样品中CO2的浓度在0.01～7.91%之间,比空气中的浓度(0.03%)高几个数量级,N2含量具有中低温热液体系的特征,来自于大气。中部靠近鄂尔多斯盆地样品具有地壳气体组分特征,而东部样品为典型的俯冲带气体特征。氦氖同位素结果显示,温泉气体中氦同位素的地幔源贡献率为0～31.38%。自东向西幔源贡献率呈下降趋势,与岩石圈厚度相关性高。碳同位素结果显示,东部有更多的碳酸盐岩与地幔成因的碳,而西部为沉积来源的碳。唐山断裂土壤气通量的结果表明唐山断裂带及周缘土壤气Rn通量范围为0.01-409.31 mBq/(m2·s),多数采样点的Rn通量范围都在 1.00～100.00 mBq/(m2·s),通量的平均值为40.58 mBq/(m2·s);土壤气CO2通量范围为8.92～1377.51 g/(m2·d),多数采样点的CO2通量范围都在10.00～200.00 g/(m2·d),通量的平均值为98.21 g/(m2·d),高于多数世界范围内其他断层的CO2通量。唐山地区的土壤气Rn高通量、高浓度与地震活动性(低b值)的空间分布一致性较高,分布在历史大震区,并受断裂带空间展布控制,表明断裂带渗透性与区域应力状态是控制Rn浓度与通量值的主要因素,而受测量时的环境条件影响较小。本文讨论了华北克拉通范围内地热(泉)水的地球化学特征及来源,讨论了不同构造单元流体的差异,以及华北克拉通东部典型的强地震活动断裂带的土壤气体通量地球化学特征和控制因素,及其与地震活动的关系。为华北克拉通范围内的流体地球化学提供了数据支撑和理论指导的同时,认为华北克拉通破坏对浅层流体存在着影响。深部流体和高大地热流值与地震活动存在着紧密影响。

关键词： 微型软体机器人   3D打印   表面张力   复合磁场驱动   多模式运动  

摘要： 微型机器人是一个新兴的研究领域,致力于探索微小的自动化装置在微观环境下的驱动、控制和工作能力。由于尺度效应,微观尺度下的很多现象和宏观尺度下相差很大,宏观机器人所使用的功能模块和机械结构都难以微型化。因此,微型机器人具有和宏观机器人完全不同的功能结构和运动机理。新的设计和功能需要新的功能材料、加工方法、驱动原理和控制方式来实现和支持,这一需求推动着研究者们不断发明和发现未曾踏足的实践方法。微型软体机器人是微型机器人研究的一个重要方向。借助柔性材料的自然变形,微型软体机器人可以在不使用复杂机械结构的情况下实现主动或被动变形,从而获取推动自身前进的动力。 现阶段加工微型软体机器人的方法大都受限于传统的机械加工技术和软体材料的固化方式,不适合制造更加多样化的微型软体机器人外形和结构,也不利于探索更新颖更复杂的微型软体机器人运动机理。针对这一现状,本文提出基于表面张力控制液体材料流动性,进而对多种平面结构的微型软体机器人进行3D打印的制造方法。为探索微型软体机器人领域的更多可能性,本文在微型3D打印系统、复合磁场驱动系统、多种结构的微型软体机器人的制造和运动模式,以及多个不同类型机器人的独立控制策略等方面进行了研究。 在微型软体机器人微型3D打印系统方面,通过分析液体在固体表面受到的表面张力和因表面张力产生的马兰戈尼效应,提出借助辅助材料改变基底表面张力分布,从而控制各种材料水平形状和结构的3D打印方法。通过有限元仿真验证3D打印方法的有效性,并提升打印时变性非牛顿流体过程的稳定性。基于具有微米级打印精度的微型3D打印系统,开发可以快速调整打印参数和打印流程的软件框架。使用微型3D打印系统打印多种功能结构,包括用于划分区域的紫外固化胶辅助线、可作为模具边框的辅助块、用于构成机器人本体的掺入磁粉和未掺入磁粉的硅胶区域等,并实现了图案化打印和双层打印。 在头尾式微型软体机器人的制造和运动模式方面,构建由两个亥姆霍兹线圈组构成的二维复合磁场驱动设备,借助有限元仿真结果实现不同类型磁场的叠加驱动。对漂浮在水面上的微型磁铁机器人进行自身角度和运动方向的精确同步控制,以验证复合磁场驱动系统的控制精度。设计制造具有单尾结构和双尾结构的微型软体机器人,沿不同方向对机器人进行磁化。选择粘度较高的甘油作为实验环境,使用旋转磁场、摇摆磁场和静态梯度磁场对机器人进行驱动,实验研究各种类型的磁场对各种结构和尺寸的机器人的游动性能的影响。 在环形磁化的微型软体机器人的制造和运动模式方面,制备片状微型软体机器人,将其弯曲成环形后磁化。通过有限元仿真得到机器人在磁场下的变形和总磁矩,并通过变形和升降实验验证仿真结果。使用旋转磁场驱动机器人转动,借助固体界面对流体流动的影响推动机器人沿固液界面滚动,并叠加静态强度磁场以调整机器人的滚动速度和方向。使用强度和方向交替变化的摇摆磁场驱动机器人在固液界面上进行双端步行运动,并叠加静态梯度磁场来调整机器人的步行速度和游动高度。改变摇摆磁场的摇摆方式,驱动机器人沿固液界面进行单端跳动运动,并通过磁场梯度调整机器人的跳动速度和方向。 在多个微型软体机器人的独立运动控制方面,建立局部坐标系到全局坐标系的矢量变换,实现任意类型磁场在任意角度上的叠加控制。建立两个具有不同运动速度的微型软体机器人独立运动任意距离的求解方程,并实验验证在不同类型的磁场驱动下,各种不同类型的双机器人组合的独立运动控制效果。对于三个微型软体机器人独立运动的情形,借助附加静态磁场对环形磁化微型软体机器人运动性能的调节,控制环形磁化机器人在其他机器人运动时的总位移为零。基于该策略将三个机器人的独立运动问题简化为两个机器人的独立运动问题,实验验证各种三机器人组合的独立运动控制效果。

关键词： 机器学习势函数   砷化硼   热导率   第一性原理   分子动力学  

摘要： Ⅲ-Ⅴ族半导体材料砷化硼(BAs)具有极高的热导率,是提高芯片和锂离子电池等系统热管理效率的绝佳材料。立方砷化硼(c-BAs)虽具有简单的晶格结构,但其热导率的准确值在理论和实验测量角度仍未完全达成一致,特别是缺乏高温场景下的研究。机器学习势函数将第一性原理的计算精度和经典势函数的计算效率相结合,为快速准确预测材料的热导率提供了新的途径。本文提出一种预测热导率的新方法,即采用机器学习势函数,结合晶格动力学与佩尔斯-玻尔兹曼输运方程和分子动力学方法准确预测c-BAs的热导率。主要工作包括:以准确性和可靠性为评价指标,借助机器学习探究不同策略训练原子间势函数的适用场景。被动学习策略依靠人工收集原子构型完成训练过程,流程简单易操作,适用于可以牺牲部分精度换取计算速度的场景;主动学习依靠D-optimality准则和Maxvol算法外推,挑选原子构型完成训练过程,流程复杂耗时,但是精度比被动学习提高近80%,媲美第一性原理计算结果,适用于高度要求准确性和可靠性的场景。应用机器学习原子间势函数计算原子间力常数,计算速度相比第一性原理方法提高5个数量级,并且能够准确预测声子的色散关系。通过机器学习势函数获得不同温度下的原子轨迹,进行声子重整化修正,结合三声子与四声子散射耦合理论探究c-BAs的声子热输运性质。发现温度诱发的声子重整化造成高温下声子频率发生频移,提高声子发生散射过程的概率,从而增强声子散射强度。此外,声子与声子之间的非简谐作用随温度升高而增强,声子与声子之间发生高阶散射过程。二者耦合作用降低了 c-BAs在高温下的热导率。利用考虑各阶声子散射过程的平衡态分子动力学和非平衡态分子动力学方法,基于不同训练策略得到的机器学习势函数,被动学习不适用长时间尺度分子动力学模拟,主动学习能够准确预测c-BAs的热导率。结果表明,高温场景下两种方法预测值基本相符,1100K时预测值分别为84.82±2.11和95Wm-1k-1。常温下热导率的最终计算结果1457±50.98Wm-1K-1与当前实验值900-1300Wm-1K-1符合较好。同时发现高阶声子散射过程在900-1200K时显著降低c-BAs约45%的热导率,在300-800K时对c-BAs热导率的影响几乎可以忽略不计。

关键词： 烷基芳基磺酸盐   表面张力   临界胶团浓度   电解质  

摘要： 用滴体积法，测定了自制的三种结构奇碳数烷基芳基磺酸盐在不同温度以及在电解质中的表面张力，得到表面活性剂表面张力与结构、温度、电解质的关系。在温度一定时，随着芳环向长烷基链中间位置移动，临界胶团浓度(ccmc)增大，临界胶团浓度下的表面张力(γcmc)降低，而且在加入电解质后不仅大大降低表面活性剂的ccmc、而且使得溶液的γcmc较纯水中更低。当结构一定时，随着温度的升高，胶团不易形成，ccmc增大，γcmc减小，饱和吸附量(Γmax)越低，本文从分子结构与电解质的作用机理方面进行解释。

关键词： 圆柱绕流   跨渠桥墩   绕流阻力   导流罩   减阻效应  

摘要： 南水北调总干渠有许多跨渠桥梁,平均1km多就有一座,在很大程度上增加了干渠水流输送阻力。在工程实际运行中,桥墩上游形成壅水并向上游传播;桥墩附近出现局部水面骤降与回升,墩侧出现逆流漩滚,桥墩后呈现典型“卡门涡街”交替脱落的现象,出现墩后旋涡区及边界层分离现象,水流流态极其紊乱。为了减小桥墩局部阻力损失、改善桥墩附近的流态,有必要开展流态优化试验的研究。本论文通过理论分析和物理模型试验研究,分析了桥墩绕流流态,研究了桥墩减阻的方法,提出了导流罩的减阻技术,并论证了桥墩增设导流罩后的效果。主要进行以下工作:(1)分析了圆柱绕流特性和尾涡区的形态特征,对桥墩流线型尾翼区的基本形态特征进行研究,根据边界层分离特点与尾涡特征,提出桥墩消涡减阻导流罩的基本体型,给出不同系列的体型参数曲线或参数方程;综合考虑湍动能消耗效果及工程实际,确定了最终的导流罩体型及尺寸。桥墩导流罩前端长1.5D,墩前尖圆曲线半径R=2.5D;尾部长3D～4D,采用概化的流线型曲线,圆曲线半径R=11D。(2)通过物理模型试验,进行了导流罩安装前后单墩、两墩、四墩的流态,水位观测,并计算了相应的水头损失和绕流阻力,对比分析了安装后的水力特征及流态改善效果。导流罩安装后,导流罩周围流态平顺,水面波动幅度也大大减小,桥墩间的涡旋回流减少了,桥墩后水流的摆动动情况也消失了,流速分布比较均匀。水位和水头损失对比,因桥墩绕流引起的水位和水头损失的降低程度都减小了,水位最大降低0.02m左右,水头损失降低幅度减少58%左右。(3)通过实验进行了绕流阻力力对比,分析了有无导流罩的流场差异及绕流阻力的削弱情况,分析表明,单墩安装导流罩后,绕流流态明显改善,绕流阻力减小30%左右;两墩安装连续导流罩后,减阻效应达到24.8%～48.7%;四墩安装连续导流罩后,减阻效应达到53.5%～65.1%;多墩的减阻效应更大;通过原型观测分析,表明设计的桥墩导流罩达到了减阻效果。

关键词： 声表面波   叉指换能器   张力测量   超声辐射力   声流  

摘要： 液体的界面张力(IFT)是作用在单位长度液体界面上的收缩力,当形成界面的两相中有一相是气相,则此时界面张力可被称作表面张力。IFT在工业、生物医学和合成化学应用中发挥着重要的作用。在工业流程中,例如评估洗涤剂品质、研制新型涂层配方、协助石油开发三次采油(EOR)技术等领域都需要IFT测量。传统针对表面张力的测量方法有动态张力测量法和静态张力测量法两类,比较有代表性的静态表面张力测量法有Du Noüy-拉环法、气泡压力法等;动态表面张力的代表性测量方法为振荡射流法等。如今生命健康相关话题成为热点,生物的血液、尿液、汗液等体液的物理特性往往能反映出身体健康状况,针对生物体液的IFT测量可以有效地实现疾病的早期诊断。然而测量IFT通常需要足量的待测液体来浸润探针或容纳气泡,或是需要缓慢滴液测量外形和质量数据。针对生物体液样品量少,检测需求大,检测时效性强等特点,本文提出了一种一种基于声表面波(SAW)的微量样品液体表面张力测量方案。该张力测量方案受到基于液滴外形的无柄液滴法和悬滴法的启发,通过SAW作用在液滴上时液滴产生的振动形变的外形数据,利用Taylor形变方程针对其IFT进行计算。由于不同液滴IFT的差异,其与SAW相互作用时,液滴内部声流诱发的形变也会有所不同,从而实现张力测量的目的。为此我们选用叉指换能器(IDT)产生SAW来诱发声流,分别对IDTs表面和液滴内部的物理场进行了有限元仿真计算,使用铌酸锂(YX128°Li Nb O)作为压电基底,通过光刻、磁控溅射等技术加工制成用于产生操控SAW的IDT,最后对其进行声场表征,所制得器件可激励产生稳定的19.52 MHz的SAW。利用此器件产生的SAW在高速图像采集设备下控制液滴产生形变,采集液滴形变的图像数据并进行量化计算,使用泰勒的变形方程来最终计算待测液体的IFT。本次实验中利用SAW方法测得去离子水的表面张力系数值为68.369 N/m,甘油为60.44 N/m,对比悬滴法的数据72.75 N/m和63 N/m,其误差幅度仅为±5%(25°C),验证了声表面波测量方法的准确性。SAW方法仅仅利用了极微量的待测样液(低至1～2μL)和较短的测量时间(3 min以内)即可获得较为准确的结果。为了验证SAW方法在生命健康领域的应用前景,我们分别对健康小鼠和糖尿病小鼠进行了血浆IFT测量,正常小鼠的血浆IFT在72.82 N/m左右,而糖尿病小鼠的血浆IFT在56.23 N/m左右,该结果成功展现了IFT测量在筛选糖尿病血浆时的灵敏性和准确性。针对IFT的SAW测量法具有所需样品量少、成本低廉、机制简易、测量速度快等优势,在工业生产和生命健康领域拥有广阔的应用前景。

关键词： 表面张力   微流控芯片   曲面演化   拓扑优化拓扑约束   计算亏格的三维Euler-Poincare示性数  

摘要： 基于表面张力驱动液体运动的微流控芯片在生物技术、生物学、化学、能源和空间应用中的应用越来越多,已经成为微流控领域中一个重要的分支。基于表面张力驱动液体运动的微流控芯片是指通过芯片中不同化学相之间的界面张力控制芯片内液体运动行为的被动式微流芯片。然而,当前基于表面张力驱动液体运动的微流控芯片的结构优化设计理论方法的研究滞后于实际工程应用,仍处于基于经验公式结合实验验证的迭代设计方法阶段。故而,本文从基于表面张力驱动液体运动微流控芯片结构优化设计理论方法所面临的基本理论难点出发,以将拓扑优化方法引入表面张力驱动液体运动的微流控芯片的结构优化设计理论探索研究为主线核心,以解决在此研究过程中与之相伴随的不可避免的拓扑优化数值不稳定性问题和拓扑优化方法求解三维非定常流体问题效率问题为研究重点,从而形成了拓扑约束结构优化及表面力驱动开式微流芯片设计方法的理论研究。基于液体在微流道中自发运动的启动条件,结合有限元求解水平集函数描述表面张力驱动液体运动的三维非定常Navier-Stokes方程的方法来研究开式微流控芯片的结构优化设计理论方法,总结了合理调整设计参数的启发式优化设计理论方法。但是启发式方法具有不能充分提升微流控芯片结构性能的本质局限性。故而,本文探寻将拓扑优化方法应用于此类芯片结构优化的有效途径。虽然通过表面张力驱动液体运动的三维非定常Navier-Stokes方程能够给出液体运动的细节,但是直接基于上述方程来实施拓扑优化有着以下的不足:其一是对于基于边界力驱动液体运动的拓扑优化问题,无法直接使用已有的方法来规避棋盘格等数值不稳定性问题,故而应用拓扑优化方法的前提是解决拓扑优化数值不稳定性问题;其二是有限元求解上述Navier-Stokes方程的计算时间较长使得基于此方程的拓扑优化问题计算效率较低;其三是利用水平集方法模拟二相流时出现的质量不守恒问题。为此本文进一步开展了如下的研究工作。标准变密度结构拓扑优化方法数值不稳定性研究:传统拓扑优化方法数值不稳定性(棋盘格图案和网格依赖性等)是源于理论上拓扑优化问题可行设计集合的拓扑上界限为无穷大。针对二维结构拓扑优化方法,提出了孔洞填补法对二维拓扑优化的结构进行孔洞数量约束,也即抑制优化过程中结构的拓扑变化,结合单位面积孔洞约束成功抑制了结构中棋盘格图案的出现,从一定程度上缓解了网格依赖性。针对三维结构拓扑优化方法的数值不稳定问题,根据拓扑学中二维EulerPacare示性数计算曲面亏格的公式,扩展出三维Euler-Pacare示性数计算由无非流形点、无非流形边和无内部封闭胞腔的拓扑优化中三维结构亏格计算公式,提出了消除拓扑优化中结构非流形点和非流形边的方法,成功抑制了结构中单元奇异连接方式。此外,通过保证结构拓扑不变的结构边界演化方法,以及商集变量方法有效控制了拓扑优化中的结构亏格,也即抑制优化过程中结构的拓扑变化,成功地把拓扑学中拓扑不变量的可数性和可计算性引入到结构拓扑优化。针对拓扑优化求解三维非定常流体问题的优化设计算法的计算效率低以及水平集函数质量不守恒问题:采用准静态方式近似描述液体的运动,利用几何测度论中描述曲面运动的方法来刻画液滴的运动过程。基于曲面演化方法,提出了针对浸润性梯度表面的浸润带宽度,以及针对微滴阵列中浸润性区域分布的优化设计方法。最后,以系统吉布斯自由能极小为目标,提出了结合Wenzel浸润模型和基于曲面演化的曲面显式表述拓扑优化方法。