分子动力学模拟研究固体表面湿润性和表面电荷对冰黏附强度的影响

作     者：蔡文豪 

作者单位：华南理工大学 

学位级别：硕士

导师姓名：许雄文;杨林

授予年度：2023年

学科分类：080701[工学-工程热物理] 0809[工学-电子科学与技术（可授工学、理学学位）] 07[理学] 070205[理学-凝聚态物理] 08[工学] 0807[工学-动力工程及工程热物理] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 080502[工学-材料学] 0702[理学-物理学] 

主      题：冰黏附 分子模拟 准液体层 界面区域 壁面电荷 

摘      要：冰黏附到固体表面上的现象广泛存在于人们的生产生活中,并且对很多工业运行安全造成了威胁。这一现象归根结底是因为界面区域的范德华力、氢键和静电力等在内的界面相互作用力。在界面区域,由于实验技术和理论模型在微观尺度上的限制,关于冰的黏附机理尚未被完全揭示。本文采用分子动力学模拟,在纳米尺度上研究不同表面湿润性固体表面上的水接触角和冰黏附强度的对应关系,以及壁面电荷对冰黏附强度的影响,增加对冰黏附机理中疏水表面的作用以及准液体层的认识。为研究表面湿润性和冰黏附强度之间的关系,本文构建液滴-固体基底和冰块-固体基底的体系进行全原子模型的分子动力学模拟。模拟采用LAMMPS软件、TIP4P/ICE水分子模型和FCC排列的固体基底,体系内势能包含Lennard-Jones势和库仑势。研究了温度T=298.15 K下具有不同水湿润性的理想固体表面上的液滴铺展和温度T=265 K下对应固体表面上的黏附冰脱附行为。研究表明,接触角随着固液相互作用ε（O-水分子中的氧原子;S-面心立方排列的固体原子）的增大而减小。当ε值由0.50 kcal/mol降低到0.10 kcal/mol,对应的接触角与ε呈线性相关,从33.8°升高到149.5°,且黏附强度由567.6 MPa降低到54.6 MPa,降低幅度达到90.4%,剪切脱附强度由100.5 MPa降低到13.3 MPa,降低幅度达到86.8%。当ε超过0.50 kcal/mol时,液滴不会继续铺展形成更小接触角,而是在液滴两侧出现微液膜。在冰的黏附强度方面,表面的冰黏附强度和固体表面湿润性（水接触角）的对应关系满足=（1+cos）这一理论预测,且发现在这些工况下,冰稳定黏附到固体表面时,界面区域的准液体层厚度不尽相同。准液体层厚度是影响黏附强度的重要因素,而壁面荷电可能增加冰的准液体层厚度,达到降低黏附强度的作用。因此,在同一水分子体系温度（T=255 K）的不同壁面荷电工况下,进行了黏附冰平衡和脱附的分子动力学模拟,得到了研究工况下的准液体层厚度和黏附强度。结果表明,相较于壁面不带电荷的工况,壁面电荷密度Q=±0.1123e·nm且保持不变时,准液体层的厚度变化很小,冰的黏附强度由于壁面与水分子之间的库伦相互作用增强而增大;当铜壁面采用脉冲荷电Q=±0.1123 e·nm时,冰的准液体层厚度显著增加,黏附强度在可减小范围内减小31.9%。因此,壁面脉冲荷电是一种有效的降低冰黏附强度的方式。