限位下胶体液滴蒸发过程观察与研究

作     者：吴赛 

作者单位：天津大学 

学位级别：硕士

导师姓名：蒋世春;王育人

授予年度：2014年

学科分类：081704[工学-应用化学] 07[理学] 070304[理学-物理化学(含∶化学物理)] 08[工学] 0817[工学-化学工程与技术] 0703[理学-化学] 

主      题：SJ-10液滴蒸发 Marangoni流动 毛细流动 薄液层失稳 

摘      要：在微重力环境下,流体会表现出与地面不一样的物理特性,并且由于空间微重力实验因有着特殊的实验环境和稀缺的实验机会,在进行空间科学实验前,要进行大量细致的地基实验以确保空间实验的万无一失。返回式卫星是实现空间科学实验的重要实验手段。中国SJ-10返回式卫星即将在2015年发射,其中胶体材料箱为其搭载的一个有效载荷,其科学目标为研究空间微重力下的胶体液滴蒸发过程中的胶体自组装及相变行为。本文围绕着相关科学目标展开了一系列地基实验。首先,本实验制备了一种特殊的限定亲水区域基片,该基片能够实现对蒸发液滴的物理限定作用,使液滴蒸发状态区别于在单一亲水或疏水上的自由边界状态。液滴蒸发过程中接触半径不变,表观接触角发生了从超疏水到超亲水的非线性连续变化。其次,为了在地基模拟胶体液滴蒸发无浮力对流的空间环境,本实验设计了两套模拟装置,采用有限元分析计算装置内部流场分布情况,判断是否达到模拟目标。模拟装置的主要工作原理是采用温控的手段来抑制内部空气浮力对流。进一步地,开展了在模拟装置中限位液滴蒸发时间确定的实验。主要目的是为空间微重力实验确定有效蒸发时间,为确定空间实验流程中胶体液滴蒸发时间提供依据。最后,本文通过原位观察手段,研究了基片亲/疏水限位作用下液滴蒸发中胶体颗粒的沉积动力学问题。该实验是胶体液滴空间实验的地基实验,将与空间实验进行对比。实验发现,在整个蒸发过程中,粒子沉积图案形成过程由三种流体行为控制,最初,Marangoni效应占主导作用,驱动粒子在液滴表面聚集,随之沉积到液滴边缘;随着蒸发进行,当接触角变小(60°)时,由于边界蒸发速度更快导致的毛细补偿流作为主要驱动流体,其使得粒子直接向边界沉积,此阶段为边界沉积环的主要形成阶段。在干燥的最后阶段,亲水区域内的液层变得很薄,只有一单层粒子存在于这一薄液层中,蒸发继续进行时,薄液层发生失稳使得粒子迅速聚集而形成网络化图案,由于粒子间距变小,球间的液桥毛细力也会参与到这一聚集过程中。