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关键词： 电子器件   胶装工艺   自组装   表面张力   接触角  

摘要： 电子器件的薄板常采用胶膜进行组装，为了保证器件的正常工作，胶装过程中薄板与基底的对中要求很高，甚至达到微米级别，单纯利用销孔机械定位难以达到装配精度。胶装过程中，胶膜在烘箱中熔化，胶水渗透到薄板定位孔与基底定位销，利用销孔间隙中形成的液面表面张力，自动调整薄板的位置进行组装。本文利用仿真模型，具体分析销孔壁面的亲疏水性对自组装的影响，结果表明，销孔中一个是亲水性、另一个是疏水性，有利于装配的自组装，而销孔都是亲水或疏水，表面张力会导致销孔定位偏差。

关键词： 单组分两相流   自由能格子Boltzmann模型   表面张力   界面厚度   状态方程  

摘要： 自然界常见的物质都有固液气三态，对一个单质系统，随着温度和压力的变化，系统内的物质可能会发生相变。对单相流，通常忽略流体分子的体积以及分子间互相作用，而使用理想气体状态方程，但对于包含气相和液相的单组分两相系统，通常需要引入考虑了分子体积和分子间相互作用的非理想气体状态方程。自 19 世纪末以来已有很多种非理想气体状态方程被提出。近年来，格子Boltzmann 方法（LBM）因其特殊的介观特性被广泛用于流体流动的模拟，如何在单组分两相 LBM 中加入何种非理想气体状态方程是一个重要问题。近二十年来，有不少使用 Shan-Chen 伪势 LBM 结合各种状态方程的研究，但在自由能LBM中则相对少见。和自由能LBM不同，绝大多数单组分两相伪势LBM中未直接包含Korteweg应力的毛细作用部分，使得难以在一个相对完备的理论框架内比较不同状态方程。但自由能方法采用大部分状态方程时存在着不能独立调节表面张力和界面厚度的问题。另一方面，在诸如微流控之类的问题中，需要考虑壁面润湿性，而状态方程对涉及润湿问题模拟的影响尚缺乏充分研究。为此，本文在自由能理论框架下结合不同状态方程去研究等温的单组分两相问题，探讨了三种不同单组分两相LBM模型采用不同状态方程时的模拟性能和特征。主要研究内容和相关结论如下：　　（1）为了对不同状态方程进行公平的评估，本文首先介绍了自由能理论框架，通过对几种常见的非理想气体状态方程选择共同的临界参考量，比较了不同状态方程的气液共存曲线以及界面厚度和表面张力与温度、密度比的关系，在同密度比下对比了平直界面的密度梯度和体化学势的分布差异，并且将原先在Shan-Chen 模型中使用的人为定制的分段线性状态方程纳入自由能框架与其他状态方程进行对比。　　（2）为了解决原始自由能理论中表面张力和界面厚度无法独立调节的问题，本文提出一种改进的模型，通过引入一个新的参数克服了这一问题。之后改进的方法通过与三种不同的自由能LBM模型（包括压力张量模型、Lee-Fischer模型和Guo 的力平衡模型）组合在数值上得到验证。针对平直界面和静止液滴算例在相同参数下，本文评估了采用不同状态方程的三种LBM模型，研究表明Lee-Fischer模型和 Guo的力平衡模型对于不同的状态方程均可以把伪速度降低到机器精度，并且能获得平衡的化学势以及精准的气液相密度，而压力张量模型在伪速度和准确性方面均表现更差，但有更好的鲁棒性。另外研究发现，人为定制的分段线性状态方程也可成功与各种自由能LBM模型结合并得到合理的结果。　　（3）为了进一步研究状态方程对自由能 LBM模拟的影响，本文针对两液滴碰撞和分层泊肃叶流等动态问题使用不同状态方程进行模拟。对于液滴碰撞，研究发现状态方程的影响较小，碰撞的结果主要受韦伯数和雷诺数的影响。而分层泊肃叶流中，模拟结果同时会受到网格密度和界面厚度的影响，网格密度是主要的影响因素，而状态方程对模拟结果的影响几乎可以忽略。　　（4）为了探究状态方程对有壁面润湿问题模拟的影响，本文使用压力张量LBM结合不同状态方程研究了液滴在壁面的润湿、二维通道内的移动接触线和润湿性梯度驱动流等问题。对于壁面上液滴的润湿，无论采用哪种状态方程，不同接触角下液滴的平衡形态均和理论预测相吻合，几何润湿边界条件对所有状态方程均适用，在润湿问题中的伪速度方面，状态方程也没有显著影响。在二维通道内移动接触线和润湿性梯度驱动流两问题中，模拟结果与界面厚度密切相关，而相同参数下状态方程对这些动态润湿问题的影响并不显著。

关键词： 光滑粒子流体动力学   核梯度修正   激光选区熔融   表面张力   并行计算  

摘要： 金属激光选区熔融(Selective Laser Melting,SLM)工艺是一种重要的3D打印技术,其成形是涉及多尺度多物理场的复杂非线性过程。通过实验手段很难直接观察到SLM成形过程的具体物理现象,因此迫切需要发展可靠的数值模拟手段揭示SLM成形过程中热流固耦合作用机理。现有网格类数值模拟方法都存在一定的局限性:拉格朗日网格方法主要用于热应力模拟,难以考虑熔池流动,欧拉网格方法主要用于熔池流动的模拟仿真,难以追踪运动界面。光滑粒子流体动力学(Smoothed Particle Hydrodynamics,SPH)等无网格方法能够自然追踪自由表面和运动界面等,在增材制造模拟仿真方面具有特殊优势。本文提出一种模拟SLM成形过程的高精度SPH方法,以期为我国增材制造工艺和过程仿真提供一种有效的途径。具体工作和研究内容如下:(1)发展高精度、稳定和守恒的SPH数值模型。介绍SPH方法基本理论与方法,基于积分近似和粒子近似得到控制方程离散形式。研究守恒的高精度SPH方法,通过对称化的方法,发展守恒的核函数梯度修正(Kernel Gradient Correction,KGC)技术,解决传统KGC技术的不守恒问题。研究SPH粒子均匀化化技术,通过引入粒子位移技术(Particle Shifting Technology,PST)和X-SPH技术,提高SPH方法计算的稳定性和精度。(2)发展模拟SLM成型过程的高精度SPH方法。引入连续表面张力(Continuous Surface Force,CSF)模型,通过光滑曲率的方法提高CSF模型在模拟小尺寸熔池剧烈流动问题时的稳定性,发展适应于单相流的表面力转化为体积力的方法,提高CSF模型的计算精度;引入高斯热源模型和材料熔化本构模型,建立模拟熔池流动的改进KGC-SPH方法;通过数值算例验证改进KGC-SPH方法模拟SLM成形过程的准确性和有效性。最后,基于改进的高精度SPH方法研究激光功率和扫描速度等工艺参数对SLM成形质量的影响,研究发现在相同的模拟条件下随着激光功率增加孔隙变少但金属飞溅增加和表面质量降低,随着扫描速度加快金属飞溅减少和表面质量提高但孔隙变多。(3)发展模拟SLM成形过程的基于GPU并行的三维SPH方法。研究三维高精度SPH方法的并行计算框架,开发基于CUDA的SPH方法并行代码及程序;比较研究三维CSF模型和曲面重构表面张力模型,选取稳定的表面张力模型。通过数值算例验证三维SPH方法,并基于数值模拟仿真分析SLM成形过程,研究激光间距等工艺参数对多道SLM成形质量的影响,研究发现在相同的模拟条件下,随着激光间距增加金属飞溅减少但表面质量降低。

关键词： 连续纤维增强复合材料   拓扑优化   3D打印   流函数   路径规划  

摘要： 随着对超轻、超强结构需求的不断增长,将拓扑结构与纤维方向相结合的连续纤维增强复合材料结构优化设计已成为一个研究热点。过去的研究通常采用离散纤维方向来处理连续纤维增强复合材料的打印问题,但这种方法存在一个明显的缺点,即拓扑结构中的离散纤维无法直接作为纤维打印路径,导致结构难以制造。本论文以此为背景,在连续纤维增强复合材料结构拓扑优化设计中考虑3D打印路径规划问题,使用流函数中的流线表示结构中连续纤维的打印路径,以期在提高结构性能的同时提高可制造性。主要的研究内容如下:针对纤维增强复合材料结构柔度最小化问题,基于浮动映射拓扑优化(Floating Projection Topology Optimization,FPTO)方法,将结构的材料分布和方向作为设计变量,以结构目标体积分数为约束,提出一种纤维增强复合材料结构拓扑和纤维方向并行优化设计方法。通过主应力法确定纤维方向,保证纤维方向始终与受力方向相一致,充分纤维增强复合材料结构性能。针对连续纤维增强复合材料3D打印路径问题,基于势流函数理论,对纤维场进行拟合。将流函数的等值线等效为连续纤维的打印路径,保证连续纤维增强复合材料结构打印路径光滑连续不交叉、不重叠,并与结构承力路径相统一,提升连续纤维增强复合材料的可制造性。针对连续纤维增强复合材料结构拓扑与3D打印路径协同优化问题,在FPTO优化过程中嵌入连续纤维路径规划算法,同时考虑结构拓扑、连续纤维方向和体积对连续纤维增强复合材料结构的影响。以结构目标体积分数和结构目标纤维材料体积分数为约束,通过求解多约束拓扑优化问题,保证纤维方向的连续性和纤维体积的最佳分配,从而大幅提高连续纤维增强复合材料结构的性能和可制造性。

关键词： 页岩气开发   高压流体   起裂压力   压裂形态   内部损伤   声发射信号  

摘要： 页岩气储层孔隙率低、渗透性差等特点一直制约着页岩气资源的工业性开发。针对页岩气开采问题,无水压裂技术不仅具有非常好的压裂效果,还可以减少水资源的浪费以及避免压裂液对环境造成污染。压裂液作为简单可控的施工参数,其黏度在很大程度上影响着页岩气的开发效率,对其展开研究具有重要意义。因此,对比不同介质注入储层页岩的起裂、扩展、贯通及破坏演化规律,分析压裂过程中声发射信号时域-频域-空间特征,对页岩气资源工业性开发中压裂液的选择具有重要的研究与工程意义。本文以混凝土试样模拟页岩作为研究对象,自主研发了大尺寸真三轴煤岩体多场多相压裂实验装置,研究了高压流体注入压裂过程中的压裂压力-时间关系、声发射信号时域-频域-空间特征、试样压裂后裂隙形态及缝网分布,揭示了不同高压流体注入压裂页岩的破坏机理。主要取得以下研究成果:(1)研发了大尺寸真三轴煤岩体多场多相压裂试验装置,设计了装置的具体构造,确定了装置的各项技术参数,描述了装置的主要功能,制定了装置的使用方法及试验流程,归纳了装置的显著特色及优点。(2)研究了不同介质注入压裂岩体过程中压裂压力随时间的演化规律,分析了不同工况下高压流体注入压裂试验中压裂压力变化敏感性的差异,阐明了注入介质、水平应力差、垂直应力对于压后裂隙形态、裂隙网络复杂度的影响,探讨了气体介质注入压裂储层页岩的内部损伤特征的异同,揭示了高压流体注入压裂储层页岩过程的力学行为及裂隙发育机制。(3)阐明了高压流体注入压裂在不同压裂阶段的声发射信号时域特征,研究了压裂过程中声发射振铃计数、b值、β值、RA-AF的演化规律,推演了压裂破坏事件的数量、大小、类型等关键信息,揭示了储层页岩压裂的内部破坏过程及不同高压流体的致裂机理。(4)探讨了不同介质注入压裂岩体的声发射信号频域规律和空间关系,分析了声发射信号频域参数和破坏事件的空间聚集特征,研究了声发射频谱图、主控频率及其幅值、破坏事件的空间位置与能量释放的演化规律,阐明了不同介质注入压裂岩体在破坏机理的深度差异。本论文共有图77幅,表6个,参考文献78篇。

关键词： Ti(C,N)基金属陶瓷材料   冲刷磨损   固相颗粒   多相流环境   流体特征  

摘要： Ti（C,N）基金属陶瓷因其优异的综合性能而广泛应用于半精加工、精加工刀具和发动机零件等部件中。与传统的WC-Co硬质合金相比,Ti（C,N）基金属陶瓷具有更高的硬度、更低的比重、更高的耐磨性和热稳定性,因此在耐磨材料和工具材料领域,Ti（C,N）基金属陶瓷被认为是WC-Co硬质合金的理想替代材料。但在严苛的工况下应用时（例如高速磨损、切削以及腐蚀环境）,这些部件极易发生磨损而导致工作部件失效,寿命缩短。本文通过传统粉末冶金的制备工艺,制备Ti（C,N）-MoC-Ni金属陶瓷材料,研究多相流中固相颗粒特征、不同流体环境对Ti（C,N）基金属陶瓷材料冲刷磨损行为的影响;以及材料在多相流中的冲刷磨损失效过程。主要结论如下:（1）冲刷磨损环境中固相颗粒粒径大于金属陶瓷晶粒中硬质相晶粒度,多个硬质相晶粒和部分粘结相共同承受固相颗粒的冲击,粘结相遭到持续挤压产生疲劳而发生塑性变形,硬质相晶粒发生断裂和破碎。固相颗粒粒径与硬质相晶粒度相近,固相颗粒精准冲击金属陶瓷晶粒的硬质相以及粘结相区域,显著破坏粘结相并容易嵌入粘结相内。固相颗粒粒径明显小于硬质相晶粒度,主要对粘结相造成塑性变形,由于固相颗粒的动能较小,对硬质相破坏较轻。金属陶瓷冲刷磨损失重随固相颗粒硬度增加而增加。固相颗粒硬度远大于硬质相硬度,发生粘结相的塑性变形以及硬质相的断裂。固相颗粒硬度小于硬质相硬度,对硬质相造成的破坏有限,主要造成粘结相轻微塑性变形。金属陶瓷的冲刷磨损程度随固相颗粒的从锋利的尖角过渡到规则的球形而减轻。尖角、棱角等固相颗粒撕裂粘结相,切削作用以及剥离晶粒与碎片能力较强,材料损失较重。球形颗粒主要造成粘结相出现塑性变形痕迹和少量硬质相断裂。（2）在酸性环境下Ti（C,N）基金属陶瓷晶界面快速受到破坏,粘结相被酸性溶液腐蚀,在冲刷作用下加速流失。硬质相失去粘结相的粘接作用,在持续的冲刷下脱落,形成凹坑。由于HNO具有较强的氧化性,对粘结相的破坏作用比HSO更强,因此金属陶瓷在HNO环境中的冲刷磨损比HSO环境更严重,凹坑更大、更深。在Na OH环境以及Na Cl环境中,由于金属陶瓷中的金属Ni具有较强的耐腐蚀性,因此在短时间内材料不会遭受明显的腐蚀破坏,仅发生冲刷磨损行为。Ti（C,N）基金属陶瓷的质量损失随冲刷速度的提高以及固液比例的增加而增大,材料冲刷磨损失效程度加剧。冲刷速度加快,固相颗粒撞击材料表面的频率增高,固相颗粒对粘结相的挤压变形和微切削作用增强,硬质相晶粒断裂和碎片去除加快。固液比增加,使材料表面单位时间内受到固相颗粒冲击次数增多,单位面积内材料表面冲击能量总量相应增大,对材料的破坏加重。（3）Ti（C,N）基金属陶瓷材料的冲刷磨损过程随着时间的延长,大致出现三个阶段的变化。I阶段主要表现为粘结相的刮蹭与撕裂以及裂纹在界面处的萌生与扩展,该阶段材料的流失以粘结相流失为主。II阶段,金属陶瓷材料呈现出明显增加的质量损失,冲刷磨损速率加快;主要表现为裂纹从硬质相中产生裂纹并随之扩展,导致晶粒断裂及部分晶粒剥落,该阶段材料损失是粘结相损失与硬质相晶粒剥落共同作用的结果。III阶段,材料的冲刷磨损速率趋于平稳,该阶段的材料损失由硬质相晶粒形成的碎片在持续的冲刷磨损作用下被去除所造成。韧性材料破坏机理和脆性材料破坏机理都同时发生于金属陶瓷的冲刷磨损过程中。

关键词： 沥青铀矿   流体包裹体   C-H-O同位素   成矿作用   海德乌拉铀矿床  

摘要： 海德乌拉铀矿床位于东昆仑造山带东段,是西北地区最新发现的与火山岩有关的独立铀矿床,该矿床的发现对于东昆仑造山带探寻热液型铀矿床提供了指示意义。在野外地质调查的基础上,本文通过扫描电镜、电子探针和激光原位分析等对海德乌拉铀矿床沥青铀矿开展了化学成分分析和同位素定年工作,获得了该矿床成矿时代;分析了与成矿关系密切的热液矿物（粉红色方解石、紫黑色萤石及石英）中流体包裹体的岩相学特征、显微测温学特征、单个流体包裹体激光拉曼成分特征,查明了矿床成矿流体的基本性质（温度、盐度及成分）,并结合碳、氢、氧同位素特征分析了成矿流体来源,初步探讨了矿床成因。本文得出以下几点认识:（1）结果显示海德乌拉铀矿床沥青铀矿具有较高的Ca和REE含量,较低的LREE/HREE比值。沥青铀矿电子探针U-Th-Pb化学年龄为226～350 Ma,峰值为289Ma;U-Pb同位素年龄为234.6±1.2 Ma（MSWD=0.99,n=17）。两组年龄的差异可能与海德乌拉铀矿床沥青铀矿中存在普通铅而导致电子探针U-Th-Pb化学定年失准有关。研究认为海德乌拉铀矿床沥青铀矿的形成有岩浆期后的中-低温热液流体参与,矿床的形成可能与古特提斯构造域布青山-阿尼玛卿洋北向俯冲-碰撞后的伸展环境有关。（2）海德乌拉铀矿床流体包裹体性质:（1）在成矿期石英、粉红色方解石和紫黑色萤石样品中均发育大量原生或假次生流体包裹体,主要成群成带状分布,偶见零星分布,呈无色,多以规则状为主,个体大小一般从几微米到数十微米不等,气液比多在5%～20%之间。成矿期石英中主要为HO气液两相包裹体,少见CO-HO两相包裹体;在粉红色方解石脉、紫黑色萤石脉中流体包裹体均含HO气液两相包裹体,在粉红色方解石脉中偶见纯液相包裹体,均未见到纯气相及含固相包裹体。（2）本文有关流体包裹体显微测温研究是在多组有效流体包裹体组合（FIA）的基础上进行的。显微测温学结果表明:成矿期粉红色方解石、紫黑色萤石及石英中包裹体均一温度范围分别为133～187℃（均值163℃）、127～204℃（均值169℃）、183～287℃（均值219℃）。紫黑色萤石和粉红色方解石中流体包裹体的均一温度峰值均集中于150～170℃,石英中流体包裹体的均一温度峰值集中于200～220℃。以上特征说明该矿床为中低温热液矿床。（3）从流体包裹体的实验结果分析表明:成矿期粉红色方解石、紫黑色萤石及石英中包裹体盐度范围分别为1.40%～7.02%Na Cleqv.（平均值为3.65%Na Cleqv.）、0.53%～3.06%Na Cleqv.（平均值为1.26%Na Cleqv.）和7.17%～17.26%Na Cleqv.（平均值为11.46%Na Cleqv.）。通过公式计算,可知该地区成矿流体密度、压力及深度分别为0.73～1.01 g/cm、7.43～15.65 MPa、0.21～0.52 km。以上特征表明海德乌拉铀矿床属于浅成低温热液型矿床,成矿流体具有低盐度、中等密度、低压的特征。（4）单个流体包裹体激光拉曼成分测试表明,海德乌拉铀矿床流体包裹体气相成分以HO为主,在石英中另含少量CO等。C-H-O同位素实验数据表明,流体中δC、δD、δO值的变化范围分别为-1.59‰～-1.00‰、-71‰～-63‰、0.03‰～3.72‰,表明成矿流体并非单一来源,可能为大气降水与岩浆水混合来源。（3）本文通过对海德乌拉沥青铀矿成矿时代、成矿意义及流体包裹体进行研究,并结合前人的研究,认为海德乌拉矿床是在古特提斯构造域布青山-阿尼玛卿洋北向俯冲碰撞后的伸展背景下形成的,沥青铀矿的沉淀主要是由于流体与围岩的相互反应所引起的物理化学条件变化加上流体沸腾/CO去气,最终导致了沥青铀矿等成矿物质发生大规模的卸载与沉淀。

关键词： 光学透镜   制造工艺   表面张力   光固化   表面粗糙度  

摘要： 目前各型光学透镜制造主要采用模压成型和研磨抛光，依赖昂贵的设备，精密加工工序多、生产周期长、制造成本高，且随透镜尺寸增加生产效率显著降低。而利用表面张力的主导作用并通过光固化成型光学透镜，具有快速、低成本的优势，但该方法所成型的光学透镜口径受毛细长度的限制，通常小于2.5mm，否则重力占主导地位、无法调控表面形状。而将液态光学材料浸入到与其不相容的液体中，创造“中性浮力”条件抵消重力影响，是消除成型光学曲面尺寸限制的有效办法。　　本文研究液体辅助成型光学曲面的中性浮力条件创成，在中性浮力环境中注入液态光敏树脂、形成透镜液态初始表面，然后使用紫外光源对其进行固化、制造透镜，成型出具有纳米级粗糙度的光学表面，建立一种低成本光学透镜制造方法。主要研究内容如下所述：　　首先，液体赋形液态光学曲面原理分析。分析互不相容两相液体“中性浮力”环境的产生条件以及液态曲面尺寸限制的消除，研究在“中性浮力”条件下，表面张力主导的界面形态对液态光学曲面几何形状的影响，阐述球面、非球面透镜液态表面成形原理及方法。在此基础上，搭建试验平台，研究光学流体透镜材料、不相容浸没液体、光学流体注入方式等对成型表面的影响，确定实验操作流程。　　其次，两相流环境下液态光学曲面光固化研究。以中性浮力环境中液态凸透镜固化为例，探索液态曲面液态光学材料光固化行为。研究光照时间和强度对光学透镜液体固化层的影响;分析光学透镜液体注入体积、光源强度、温度等对透镜固化后面形轮廓和表面粗糙度的影响规律;提出液下体积可控的固化方法，消除实验环境条件对面形差异的影响，并通过相关测量分析固化后的面型轮廓和表面质量，验证该方法的可行性。　　最后，大尺寸透镜液体赋形光固化研究。针对大尺寸透镜初始液面难以成形问题，分析中性浮力以及准中性浮力环境下注入液体的流变行为。提出边界渐变和衬底式的辅助液面成形方法，研究这两种方法对液面成型的辅助效果，确定有效避免透镜液体流动、提高液体材料利用率的办法，制造出具有高成形表面质量的?100mm口径曲面光学透镜。　　本文的研究为具有高成形表面质量、厘米级以上口径光学透镜制造，提供了一种低成本、高质高效的制造方法。

关键词： 稳定性   BBD模型   导热系数   粘度   表面张力  

摘要： 纳米流体作为一种有效提高传热效率的换热工质,可以有效解决资源高效利用的问题,为资源最大化利用以及双碳计划的推行提供了莫大助力。丙二醇作为一种绿色且实际应用范围广泛的换热工质,近年来开始受到关注,但偏低的导热系数制约着其发展,在其中添加纳米颗粒来解决此问题是一种可行的思路。为此本文主要重点围绕丙二醇基MWCNT纳米流体的稳定性影响因素及热物性来展开研究。本研究采用重力沉降法和紫外分光光度计法评估了六种不同分散剂对丙二醇基MWCNT纳米流体稳定性的影响,结果表明PVP对纳米流体稳定性的增强效果更好。利用BBD(Box-BehnkenDesign)模型响应面优化法得到了各因素对吸光度的影响情况,SN 比和MWCNT的浓度对吸光度有较大影响,而实验范围内的超声处理时间(2-3h)对吸光度无明显影响;得到了丙二醇基MWCNT纳米流体制备的最佳条件,通过方差分析(ANOVA)以及实验验证表明,BBD模型可以很好的预测丙二醇基MWCNT纳米流体的稳定性,为后续丙二醇基MWCNT纳米流体的热物性研究提供参考和依据。通过毛细管粘度计对纳米流体的粘度进行研究,结果表明PVP对纳米流体粘度的影响比CTAB大;丙二醇基MWCNT纳米流体的粘度随着温度的上升而降低;随着SN 比的增加而变大。通过表面张力仪对丙二醇基MWCNT纳米流体的表面张力进行研究,研究发现,丙二醇基MWCNT纳米流体的表面张力随着温度的增加而降低,纳米颗粒的添加会降低表面张力并且随着纳米颗粒浓度的增加而降低,表面张力随SN比的增加而减小。探究了丙二醇基MWCNT纳米流体热导率变化情况,结果表明温度变化对丙二醇基MWCNT纳米流体的导热系数的影响较小。表面活性剂的添加可以提高纳米流体的导热性,与球形纳米颗粒相比,在丙二醇基液中添加MWCNT纳米颗粒对改善丙二醇的导热系数更有效。此外,丙二醇基MWCNT纳米流体在低温下有较高的导热系数。

关键词： 体相纳米气泡   微乳液   溶解气   表面活性剂   表面张力  

摘要： 流体(包括液体和气体)在自然界和生活中无处不在。从微观上来说,我们所见到的流体一般是非均匀的,其中普遍包含微纳米级的颗粒(微纳米气泡和不混溶的微纳米液滴等)。这些物质的存在会很大程度上改变宏观流体的性质,例如抗拉强度,空化压强和界面性质等。但是,由于实验手段的限制,目前对于微观上具有高比表面积的气泡和液滴等检测和表征存在着极大困难。特别是一些具有表面活性的杂质分子以及各种无法排除的污染物会导致实验数据中出现无法检测判断的虚假信号,当污染物具有表面活性时尤其如此。因此,人们对这些纳米级颗粒的状态以及性质缺乏可靠的微观认知和理论解释。因此本文针对微纳米气泡和液滴的稳定机制以及其中表面活性分子的界面效应展开分子模拟和热力学理论研究,内容如下:1.首先,结合分子动力学模拟和热力学理论分析提出了体相纳米气泡稳定的两种机制。一是离子的表面富集能够促进体相纳米气泡的稳定:离子富集产生的电场会使纳米气泡处于热力学亚稳态,同时产生一个与气泡尺寸相关的静电力,该力将平衡拉普拉斯压力,并在纳米气泡遭受热力学扰动偏离平衡态时充当恢复力。二是吸附在界面的两亲性表面活性分子(微含量、具有表面活性的污染物分子)能够决定溶液中体相纳米气泡的状态和稳定性。依赖溶液中溶解气的浓度和表面活性分子结构,被表面活性剂覆盖的纳米气泡要么保持稳定,要么完全溶解。同时,确定了在低气体溶解度下纳米气泡稳定的两个基本条件:气泡内气体的扩散溶解引起的表面张力消失以及合适的表面活性剂单层自发曲率。2.其次,采用分子动力学模拟和热力学理论研究了纳米气泡界面性质和相行为。考察了vd W分子在NVT、NPT和NBT(限制纳米气泡中)空间中的相行为。结果表明,在NBT系统中,尺寸灵活性以及空间限制导致了更丰富的流体相行为,出现了两个稳定状态之间的振荡波动,而且表现出较大的总体积和压力波动。稳定纳米气泡存在一个宏观热力学适用性的尺寸阈值。在该阈值以上,界面效应不足以影响整个纳米气泡,气泡可分为界面和内部主体两部分。相反,在临界尺寸以下,气泡界面和气泡内部相之间无法明显区分,因此无法分离表面和体积的贡献,从而导致一些宏观热力学关系不再成立。3.采用分子动力学模拟和热力学理论分析研究了表面活性分子对溶液中溶解气状态和气液界面性质的影响。通过定性热力学理论分析揭示了乙醇/水混合物中的气体分子有趣的可逆溶解-纳米气泡-溶解转变。另外,即使界面总体平坦,被压缩表面活性剂单层覆盖的界面可能导致气液两相存在压力差,我们称之为毛细压力。单层自发曲率和实际曲率之间的差异可以解释这一违反直觉的结果。并且表面活性剂单层诱导的毛细压力具有尺寸效应:增加单层尺寸将使压力差减小。该结果可以通过尺寸相关的有效弯曲常数进行解释。4.最后,采用格子玻尔兹曼模拟和热力学理论研究了基底表面结构如何影响奥斯瓦尔德熟化。结果表明,通过锚定液滴的三相接触线,非均匀基质或者固体颗粒可以作为支架抑制奥斯瓦尔德熟化,调节液滴形态,提高液滴稳定性。与使用足够的熟化抑制剂对微乳液进行功能化的传统方法不同,我们主要提出了一种抑制奥斯瓦尔德熟化促进微乳液稳定的替代策略。