【摘要】：近年來,隨著微納米流體系統(tǒng)的應(yīng)用領(lǐng)域不斷廣泛,其微納米管道中輸運(yùn)的液體類型已不再局限于水或者各種電解質(zhì)溶液,也包括了烷類和醇類等具有低表面張力的油類液體。微納米管道固液界面上的流體阻力會對微納米流體的輸運(yùn)效率造成影響,已成為制約微納米流體系統(tǒng)發(fā)展的關(guān)鍵因素之一。在微納米尺度下,固液界面上邊界滑移的存在是減小流體阻力的主要因素。但是目前對于邊界滑移的理論和實(shí)驗(yàn)研究主要以固-水界面為研究對象,對于固-油界面的研究主要集中在光滑親油表面的邊界滑移上,而超親油、疏油和超疏油表面的相關(guān)研究則相對不足。因?yàn)楦鶕?jù)Wenzel模型表面粗糙度將增加液體的實(shí)際接觸面積并放大固體表面的潤濕性,而油類液體與水相比具有較低的表面張力(50 mN/m),所以超親油、疏油和超疏油表面的粗糙度普遍高于超親水、疏水和超疏水表面。表面粗糙度的存在會對目前基于光滑表面流體力測量模型的固液界面邊界滑移測量方法的準(zhǔn)確性造成影響。而且粗糙度對于固-油界面邊界滑移的影響及其機(jī)理尚不明確,與此同時(shí),電場和pH值等外界因素對粗糙表面邊界滑移的影響機(jī)理和規(guī)律還有待于研究。所以,研究粗糙表面邊界滑移的測量方法,并且對粗糙表面固-油界面的邊界滑移進(jìn)行測量,研究影響粗糙表面邊界滑移的相關(guān)因素和影響規(guī)律,對于減小微納管道中流體阻力以及提高低表面張力液體的輸運(yùn)效率具有重要的理論意義和實(shí)用價(jià)值。本文提出了一種基于AFM接觸模式的粗糙表面有效邊界滑移長度測量方法,建立了液體環(huán)境下AFM膠體探針和表面粗糙輪廓之間的流體力測量模型。通過分析液體在粗糙表面固液界面的流動特性設(shè)置了測量參考面的位置,并通過測量膠體探針小球上的流體力實(shí)現(xiàn)有效邊界滑移長度的測量。分別用傳統(tǒng)方法和本文提出的方法測量了浸于十六烷和乙二醇中具有相似表面潤濕性的光滑樣本和粗糙樣本的邊界滑移,結(jié)果表明采用本文提出測量方法,粗糙表面有效邊界滑移長度均小于光滑表面邊界滑移長度,該結(jié)果與現(xiàn)有規(guī)律一致,證明本文提出粗糙表面邊界滑移測量方法適用于粗糙表面上的固-油界面的邊界滑移測量。采用納米顆粒和聚合物基層的多層復(fù)合結(jié)構(gòu)涂層,通過改變表面制備工藝的方法,制備了具有不同粗糙度輪廓幅值參數(shù)和間距參數(shù)以及相同潤濕性的樣本�；谒岱椒�,分別測量了十六烷和乙二醇在樣本表面的有效邊界滑移長度。通過均一化方法建立了粗糙表面固液界面狀態(tài)模型,分析了固液界面上固體和液體之間的摩擦力,并且以此分析了粗糙度輪廓幅值參數(shù)和間距參數(shù)分別對有效邊界滑移的影響機(jī)理。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明粗糙表面的有效滑移長度隨著幅值參數(shù)的增加而減小,隨著間距參數(shù)的增加保持不變。通過外加電場的方式,研究了表面電荷對于粗糙表面的固-油界面有效邊界滑移的影響。制備了納米顆粒結(jié)合粘合劑的粗糙超親油、疏油和超疏油樣本以及光滑的聚苯乙烯(PS)和十八烷基三氯硅烷(OTS)樣本。研究了電場強(qiáng)度對于浸入在十六烷和乙二醇中的樣本固液界面表面電荷密度和邊界滑移的影響,并且與去離子水實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了對比。實(shí)驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)對于粗糙表面,油類液體中的邊界滑移長度隨著電壓的增大而基本保持不變;對于光滑表面,油類液體中的邊界滑移長度隨著電壓的增大而增大。這是由于等效電容決定了表面攜帶電荷的能力,所以電場對固液界面的影響和表面等效電容有關(guān)。粗糙表面的等效電容小于光滑表面,所以表面電荷密度變化較小。固液界面表面電荷的存在,會改變固液界面上液體分子與固體分子間的相互作用力,進(jìn)而改變邊界滑移長度。實(shí)驗(yàn)結(jié)果與Joly等人研究得到的邊界滑移長度隨著表面電荷密度絕對值的變化規(guī)律相一致。液體pH值的改變可以導(dǎo)致固-油界面表面電荷的變化,本文分別制備了pH值范圍在3-11的乙二醇和水溶液,測量了不同pH值下的固液界面表面電荷密度和邊界滑移長度。實(shí)驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn),乙二醇中的表面電荷密度遠(yuǎn)小于水溶液。pH值范圍在3-8時(shí),乙二醇中的邊界滑移長度隨pH的增加而增大;pH值范圍在8-11時(shí),乙二醇中的邊界滑移長度隨pH的增加而減小。這是因?yàn)殡S著pH值變化,樣本吸附酸性或堿性液體中的負(fù)離子導(dǎo)致表面電荷密度增大。pH值范圍在3-11時(shí),水溶液中的邊界滑移長度隨著pH值的增加而減小。這是因?yàn)樗写罅苛u基的存在影響了表面在酸性環(huán)境下負(fù)離子的吸附導(dǎo)致了表面電荷密度減小。綜上所述,本文通過構(gòu)造液體環(huán)境下AFM膠體探針和表面粗糙輪廓之間的流體力測量模型,提出了AFM接觸模式下粗糙表面有效邊界滑移長度測量方法;在此基礎(chǔ)上研究了粗糙度輪廓幅值參數(shù)和間距參數(shù)對固-油界面有效邊界滑移的影響;然后進(jìn)一步研究了外加電場作用下表面電荷以及不同液體pH值條件下表面電荷對粗糙表面的固-油界面有效邊界滑移的影響。
【圖文】：

a) 非滑移邊界條件 b) 滯留層邊界滑移 c) Navier 邊界滑移a) Non-slip b) Stagnant layer c) Navier boundary slip圖 1-1 流體運(yùn)動流場示意圖[25]Fig. 1-1 Schematic of velocity profile for liquid flow[25]然而，隨著測量手段的不斷提高與理論水平的快速發(fā)展，理論和實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果

圖 1-2 SFA 法滑移長度測量示意圖Fig. 1-2 Schematic of SFA measurement of slip length統(tǒng)測量設(shè)備，SFA 法在力和位移測量方面具有量的力通常大于 10 mN，，接觸面積為微米量級
【學(xué)位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：O35;TG806

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號：2701153