微纳尺度下水在固体表面上的性质

发布时间：2020-03-27 22:15

【摘要】：润湿性是材料表面的重要特征之一,表面可控润湿性的研究无论在基础研究和工业应用方面都有着重要的意义。本论文的研究内容主要是使用分子动力学模拟方法讨论微/纳尺度下水在固体表面上的性质,主要工作如下:(1)建立了水滴在不同形貌微结构表面上的分子动力学模型,模拟中水滴通过表面能梯度驱动发生运动,排除了外部条件对模拟结果的影响。结合运动性优良和输水稳定性高的要求,本文提出了一种槽-钉混合状的表面微结构,该微结构可以使水滴在固体表面上沿沟槽方向运动时受到较小的粘滞阻力又不会轻易丧失疏水性。(2)建立了润湿可控的石墨烯表面模型,从直观的接触角的角度出发讨论了水滴在从疏水到亲水的多种润湿组合构成的石墨烯表面上的运动行为。研究发现润湿梯度驱动下水滴运动状态的控制可以通过调节固体表面的润湿性来实现。研究还发现水滴在润湿梯度驱动下的运动方式与坦克履带的运动方式类似:在水滴随着质心沿润湿梯度方向运动的同时其内部水分子也在围绕质心做着逆时针的运动。水滴的这种运动方式将为自清洁功能表面的制造提供参考。(3)建立了润湿性不均匀的石墨烯纳米通道模型,水分子在不同外部压力的作用下通过不均匀润湿位置可变的石墨烯纳米通道。通过分析水在通道内的流率、剪切粘度、毛细力、沿通道高度方向的密度分布和表观摩擦系数,揭示了由于不均匀润湿位置改变而使压力作用下水在不均匀润湿纳米通道内的输运性质发生变化的规律。(4)建立了不同尺寸纳米水滴渗透进入碳纳米管内的分子动力学模型。模拟结果显示:在纳米尺度下,水滴的毛细吸入行为不同于体相水的毛细吸入行为,即毛细吸入规律不再完全符合传统的Lucas-Washburn关系,此时毛细吸入行为与水滴的尺寸密切相关。另外,还讨论了水滴在亲水性碳纳米管内的吸入行为以及模拟系统中开孔石墨烯平板的润湿性对水滴毛细吸入行为的影响。研究结果有望为在干旱空气中集水和海水淡化等实际应用提供参考。
【图文】：

自然界中4种典型的生物现象和其表面微结构

图 1-2 液体在固体表面上的铺展可以发现，从能量角度分析液体在固体表面上的存在状态比较抽象。的只是它的最终存在状态，此时就可以用更加直观的接触角来表达。力极其强的表面之外，大部分情况下，液体与固体表面接触后并不会
【学位授予单位】：西北工业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：O647.5;TB383.1

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本文编号：2603461