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相分离驱动的多孔表面制备及气-液界面铺展行为规律研究

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相分离驱动的多孔表面制备及气-液界面铺展行为规律研究

作者：华泽升山东大学

学位级别：硕士

近年来,频繁的石油泄漏造成的环境污染问题愈发严峻,对人类以及整个生态系统都造成了巨大的损害,人们亟需研发一种具备优异吸附性能的吸附材料来处理泄漏的石油。多孔结构材料具有大比表面积、高孔隙率,在石油吸附领域优势明显。因此,... 详细信息

近年来,频繁的石油泄漏造成的环境污染问题愈发严峻,对人类以及整个生态系统都造成了巨大的损害,人们亟需研发一种具备优异吸附性能的吸附材料来处理泄漏的石油。多孔结构材料具有大比表面积、高孔隙率,在石油吸附领域优势明显。因此,具有高比表面积、强吸附性能的多孔结构材料可控制备已成为该领域研究的重点。而目前多孔结构吸附材料仍存在制备效率低、能源消耗高、分离选择性差等问题。针对以上问题,本文基于物质传递相分离技术研究多孔结构材料的制备,提出了结构可控的斑块(Patchy)结构表面制备方法,通过固化、干燥Patchy结构便可得到多孔表面,探讨了 Patchy结构表面的形成机理,并通过结合静电纺丝技术制备出多孔结构纳米纤维膜材料。主要内容如下:首先,为了制备出多孔结构表面,提出一种基于物质传递相分离技术的多孔结构表面制备方法,利用相分离技术制备出Patchy结构,通过固化Patchy结构可以得到多孔表面。相分离体系由聚乙二醇双丙烯酸酯(PEGDA 700)、丙三醇和无水乙醇组成,利用单相驱动微流控芯片制备出单分散液滴,当液滴接触到液体石蜡后,由于液滴和液体石蜡之间的界面张力作用,液滴在空气-液体石蜡界面漂浮并自发地形成空气-液滴界面。与此同时,液滴内的无水乙醇快速挥发,导致PEGDA 700与丙三醇发生相分离,在空气-液滴界面形成了 Patchy结构,这是一种新奇的气-液界面相分离现象。通过控制PEGDA 700/丙三醇体积比、表面活性剂Span 80浓度以及无水乙醇浓度,分析上述参数对空气-液滴界面相分离后结构的影响规律。实验结果表明:当单分散液滴中PEGDA700与丙三醇的比例QPEGDA:Q丙三醇=1时,空气-液滴界面会形成Patchy结构。通过界面张力平衡法分析出液滴形成空气-液滴界面的条件。最后,利用紫外光对Patchy结构表面进行交联聚合并制备出多孔表面,通过分析表面微观结构验证空气-液滴界面相分离过程的形态。然后,为了研究空气-液滴界面Patchy结构的形成机理,结合铺展系数理论和流体力学理论,揭示相分离过程中气-液界面的铺展行为规律。计算相分离体系各相的铺展系数,验证表面形态与铺展系数的关联关系。针对液滴空气-液滴界面的Patchy结构与经典铺展系数理论不符合的情况,建立基于气-液界面的铺展系数理论:当中间相为空气,且三相的铺展系数均小于0时,表面会形成Patchy结构。在空气环境中制备Patchy结构液滴,通过紫外光交联固化得到具有多孔表面的微颗粒,验证气-液界面处铺展系数理论。计算漂浮液滴在空气-液滴界面的乙醇挥发速率,建立挥发驱动的漂浮液滴内部流动模型,分析液滴内部马兰戈尼流动的发生情况,基于流体力学探究出空气-液滴界面处Patchy结构形成的条件。最后,利用静电纺丝及物质传递相分离技术制备出Patchy结构聚偏氟乙烯(PVDF)纳米纤维膜,通过固化、清洗Patchy结构表面便可得到多孔结构PVDF吸附膜。基于气-液界面铺展行为规律探索出PVDF/DMAc/去离子水的相分离体系,以PVDF为溶质,DMAc、去离子水为溶剂,计算纺丝过程气-液界面三相的铺展系数,计算结果表面,上述相分离体系符合气-液界面铺展行为规律;探究了纤维多孔形貌与PVDF和去离子水浓度的关联性,并确定了纤维形貌与综合性能最优的制备参数:CPVDF=12 wt%,CH2O=1wt%;通过浸润性及单位面积界面能理论分析多孔PVDF纳米纤维可用于油吸附应用的原因;对表面多孔纤维膜的比表面积、孔隙率及吸附容量进行表征,其中添加12 wt%PVDF及1wt%去离子水时,多孔纳米纤维膜的比表面积、孔隙率及吸附容量达到最大,分别为 50.81 m2/g、89.6347%及 8.4387g/g。

关键词：多孔结构相分离气-液界面铺展行为静电纺丝

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微液滴撞击固体表面的铺展行为研究进展

北京印刷学院学报 2018年第8期26卷 92-98页

作者：石庆杰肖军杰程光耀文伟力张睿蒋小珊北京印刷学院机电工程学院北京102600 北京印刷学院数字化印刷装备北京市重点实验室北京102600 北京印刷学院印刷装备北京市高等学校工程研究中心北京102600

微液滴撞击固体表面的铺展行为是指液滴从空中落下撞击固体表面后的变化过程,研究液滴撞击固体表面铺展行为对印刷业、工农业生产以及军事等领域具有重要作用。从理论研究、数值模拟、实验研究三个方面系统介绍了国内外对液滴撞击固体... 详细信息

微液滴撞击固体表面的铺展行为是指液滴从空中落下撞击固体表面后的变化过程,研究液滴撞击固体表面铺展行为对印刷业、工农业生产以及军事等领域具有重要作用。从理论研究、数值模拟、实验研究三个方面系统介绍了国内外对液滴撞击固体表面铺展行为的研究现状,分析了各种研究方式的优缺点,指出了微液滴撞击固体表面液固耦合行为的未来研究方向及应用前景。

关键词：微液滴固体表面铺展行为

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等离子喷涂熔滴铺展凝固行为研究现状

材料导报 2024年第6期38卷 179-190页

作者：肖嵩刘明张小龙黄艳斐王海斗三峡大学机械与动力学院湖北宜昌443002 中国人民解放军陆军装甲兵学院装备再制造技术国防科技重点实验室北京100072

等离子喷涂实质上是以等离子气体为热源,将金属或陶瓷粉末加热成具有一定温度和速度的熔滴,并撞击基体表面而在基体上铺展凝固的过程,该过程对涂层质量具有重要影响。本文从单个和多个熔滴的铺展凝固行为、铺展凝固的影响因素以及熔滴... 详细信息

等离子喷涂实质上是以等离子气体为热源,将金属或陶瓷粉末加热成具有一定温度和速度的熔滴,并撞击基体表面而在基体上铺展凝固的过程,该过程对涂层质量具有重要影响。本文从单个和多个熔滴的铺展凝固行为、铺展凝固的影响因素以及熔滴凝固时产生键合和裂纹的原因三个方面,综述了等离子喷涂过程中熔滴撞击、铺展、凝固过程。当冷却速率不同时,熔滴撞击基体后会出现先铺展后凝固和边铺展边凝固两种行为;由于后续熔滴撞击位置的不同,材料会出现不同类型的孔隙;由于晶格参数和过冷度的不同,凝固方式主要有非稳态凝固和外延生长;影响铺展凝固的因素有气体捕获、熔滴底层凝固和基体预热等;提高粒子温度和基体温度、减少基体传热可以促进凝固过程中界面结合;合适的分段裂纹密度可以显著提升涂层性能。通过研究熔滴铺展凝固行为和堆叠过程,可以明确涂层内部缺陷的形成原因,完善对涂层形成机理的认识,更加科学地指导涂层质量调控。

关键词：等离子喷涂铺展行为凝固机理衬底温度冶金结合裂纹

事故容错燃料包壳表面液滴碰撞行为及Leidenfrost现象实验研究

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核动力工程 2020年第3期41卷 35-40页

作者：王泽锋马云飞钟明君熊进标杨燕华核反应堆系统设计技术重点实验室成都610213 中国核动力研究设计院成都610213 上海交通大学核科学与工程学院上海200240

为了研究事故容错燃料包壳表面的液滴Leidenfrost现象,本研究采用高速相机对液滴与事故容错燃料包壳SiC和FeCrAl的碰撞行为进行可视化观测,并与常规包壳材料Zr-4对比。结果表明,液滴碰撞方式有沉积、带二次液滴散射的反弹、带二次液滴... 详细信息

为了研究事故容错燃料包壳表面的液滴Leidenfrost现象,本研究采用高速相机对液滴与事故容错燃料包壳SiC和FeCrAl的碰撞行为进行可视化观测,并与常规包壳材料Zr-4对比。结果表明,液滴碰撞方式有沉积、带二次液滴散射的反弹、带二次液滴散射的碎化、反弹和碎化5种;沉积属于核态沸腾换热,反弹和碎化属于膜态沸腾,带二次液滴散射的反弹和带二次液滴散射的碎化属于过渡沸腾换热;液滴的临界热流密度(CHF)温度与韦伯数(We)无关,而Leidenfrost温度随着We和固体表面蓄热系数的增大而增大;在膜态沸腾阶段,液滴的铺展行为与温度无关,随着We的增大,液滴铺展的更快,且能达到更高的铺展因子。

关键词：碰撞方式事故容错燃料 Leidenfrost现象铺展行为

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固体表面液滴铺展与润湿接触线的移动分析

物理学报 2016年第1期65卷 348-355页

作者：焦云龙刘小君逄明华刘焜合肥工业大学摩擦学研究所合肥230009

液滴在固体表面上的铺展行为与润湿特性对许多工业生产过程的研究具有重要意义.根据液滴在光滑表面上的受力情况,建立了液滴平壁铺展的动力学模型.应用润滑近似方法和二维Navier-Stokes方程,建立了液滴沿理想表面铺展的动量和连续性方程... 详细信息

液滴在固体表面上的铺展行为与润湿特性对许多工业生产过程的研究具有重要意义.根据液滴在光滑表面上的受力情况,建立了液滴平壁铺展的动力学模型.应用润滑近似方法和二维Navier-Stokes方程,建立了液滴沿理想表面铺展的动量和连续性方程.根据建立的方程,应用数值解法求解并详细分析了液滴在铺展过程中膜厚、接触线铺展半径以及铺展速度随时间的变化关系.研究结果表明:液滴的铺展过程可分为扩展和收缩两个阶段,铺展过程伴随着表面能、动能以及各种势能的相互转化,液滴最终的铺展半径大小由固体基面固有的润湿特性所决定;液滴在铺展过程中出现的"坍塌效应"与弯曲液面处的Laplace压力差有关;铺展半径随时间变化的标定律近似满足"1/7"次方标度律.

关键词：铺展行为润湿特性润滑近似标度律

电子束选区熔化成形H13钢粉末再利用及氧化物析出行为研究

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电子束选区熔化成形H13钢粉末再利用及氧化物析出行为研究

作者：孙晨皞西安理工大学

学位级别：硕士

H13钢以其优异的红硬性、耐磨性、高淬透性和机热裂性能,被广泛应用于挤压模、热锻模以及压铸模等。电子束选区熔化(Selective Electron Beam Melting,SEBM)技术通过层层堆积工艺可以实现复杂零件的“近净成形”,在提高产品质量的同时... 详细信息

H13钢以其优异的红硬性、耐磨性、高淬透性和机热裂性能,被广泛应用于挤压模、热锻模以及压铸模等。电子束选区熔化(Selective Electron Beam Melting,SEBM)技术通过层层堆积工艺可以实现复杂零件的“近净成形”,在提高产品质量的同时降低生产成本,推动传统产业的转型升级。本文以SEBM成形H13钢为切入点,通过离散元法研究了粉末原料及工艺参数对粉末床铺展行为的影响,粉末再利用过程中性能的演变以及快速熔凝过程中氧化物的析出行为,主要结论如下：(1)铺粉层厚是影响粉末床铺展质量的主要原因,粉末床的致密性和均匀性随着铺粉层厚的增加而增加。较宽的粉末粒径分布可以有效改善粉末床空隙情况,小颗粒占比增加会导致粉末床团聚现象强化。粉末床的相对堆积密度随着铺粉速率的增加而增加,而空隙率先减小后增大。(2)随着再利用次数增加,D50(颗粒累积分布为50%的粒径)从57.29 μm增加到65.66μm,颗粒表面枝晶形貌消失且不规则颗粒占比增加,导致流动性恶化,粉末氧和氮含量分别从149和237 ppm增加到250和394 ppm,氧元素以金属氧化物,金属氢氧化物以及吸附水三种形式存在于颗粒表面。此外,回收粉末的晶面间距变大且结晶度增加。不同批次粉末成形试样的显微维氏硬度均保持在540HV0.2左右。(3)沉积态试样主要由α-Fe(BCC)和γ-Fe(FCC)组成,凝因过程中元素分配较为均匀,没有明显偏析现象。沉积态零件的显微硬度为539±10.1HB0.2,抗拉强度为1423.8±33.7 MPa,延伸率为3.52±0.08%。凝固末期氧和钛元素的偏析现象最严重,其次是Si、Al和Mn元素。凝固过程中Al2O3,Al2O3·TiO2和MnO最先析出,其它氧化物随后析出,氧元素含量是限制Al2O3、SiO2和MnO等氧化物形核和长大的主要因素,Ti元素你这是是限制含钛氧化物析出的主要因素。增材制造的快速熔凝特性为纳米级氧化物的弥散分布提供了可能,通过计算可知凝固末期氧化物的尺寸均在1μm以下0,而含钛氧化物的尺寸为纳米级(20～50 nm)。

关键词：电子束选区熔化 H13钢铺展行为粉末再利用氧化物

激光作用下CuSi_3在镀锌钢板表面的润湿行为研究

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上海工程技术大学学报 2013年第4期27卷 293-297页

作者：马凯于治水张培磊卢云龙褚振涛史海川上海工程技术大学材料工程学院上海201620

实验研究了影响CuSi3在镀锌钢板上润湿铺展行为的主要因素:激光功率、离焦量、激光加热时间以及母材表面是否存在镀锌层.研究钎料铺展直径随着这些参数变化的规律,并在此基础上进行了显微硬度测试.实验结果表明,离焦量对铺展直径的影响... 详细信息

实验研究了影响CuSi3在镀锌钢板上润湿铺展行为的主要因素:激光功率、离焦量、激光加热时间以及母材表面是否存在镀锌层.研究钎料铺展直径随着这些参数变化的规律,并在此基础上进行了显微硬度测试.实验结果表明,离焦量对铺展直径的影响最大;显微硬度测试结果显示,当钎料在母材上润湿铺展良好时,能够得到力学性能优异的接头,界面处硬度达到镀锌钢板的90%,为更好地利用CuSi3钎料激光钎焊镀锌钢板提供了理论依据.

关键词：激光钎焊镀锌钢板润湿铺展行为离焦量

表面粗糙度对液滴撞击动力学过程影响的实验研究

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表面粗糙度对液滴撞击动力学过程影响的实验研究

作者：沈佳杏中国科学技术大学

学位级别：硕士

液滴撞击固体表面的现象十分常见,并且对于许多技术应用都有重要意义。由于实际表面不可能达到绝对光滑,液滴撞击行为必会受到表面粗糙结构的影响。如建筑火灾中常见的固体可燃物木材,其表面特性势必会对火灾扑救中灭火剂液滴与其表面... 详细信息

液滴撞击固体表面的现象十分常见,并且对于许多技术应用都有重要意义。由于实际表面不可能达到绝对光滑,液滴撞击行为必会受到表面粗糙结构的影响。如建筑火灾中常见的固体可燃物木材,其表面特性势必会对火灾扑救中灭火剂液滴与其表面的相互作用产生影响,进而影响其灭火机理等。然而已有的相关研究在表面形貌对液滴撞击过程所产生的影响方面关注较少,缺乏固体表面粗糙度对液滴撞击行为特征影响的定量认识。而事实上,研究固体表面的影响除了能丰富对液滴撞击这一界面流动问题的理论知识外,还能为进一步探究喷雾冷却、细水雾灭火等工程应用的微观机理提供参考。基于此,本文分别采用随机纹理的粗糙表面和刻蚀加工的微结构表面进行液滴撞击实验,以研究固体表面形貌特征对液滴撞击过程的影响及其动力学规律等。基于木材、玻璃等普通粗糙表面上的液滴撞击实验,本文发现粗糙度与液滴撞击后铺展边缘的手指状扰动数量及液滴最大铺展直径间都存在负相关关系,并通过量纲分析拟合建立了相关经验公式。并从固液间相互作用的角度分析解释了表面粗糙度影响液滴撞击行为的机理。基于不同亲水性下方形排布的微柱阵列结构表面上的液滴撞击实验,本文发现液滴撞击速度、表面结构特征及表面润湿性对液滴惯性铺展阶段形成的液膜形状存在特定影响,通过定义形状因子对不同的形状特征赋值,并由此揭示了不同因素影响下液膜的形成和发展规律,即:液滴初始动能的增大会促使液膜形状趋于菱形,而液体在表面上的润湿趋势会促进方形液膜的形成;液滴在亲水微结构表面的最大铺展程度主要取决于固液接触面积及其对应的粘性损耗,因此随撞击速度的增加而减小,而随微柱排布密度的减小而增加;液滴的半芯吸过程不同于其在一般润湿现象中的规律,具体为结构间的边缘薄膜长度不遵循时间平方根律。

关键词：喷雾灭火液滴撞击表面粗糙度表面微结构铺展行为