材料表面浸润性测定方法研究

来源 :西北农林科技大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:gulangxian
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材料表面浸润性在工程中具有潜在的应用前景,接触角作为浸润性的一种直观表征,在近年来的研究中备受关注。但迄今为止,接触角的计算方法仍存在争议。复合材料能够实现材料性能的高效应用,其表面浸润性特征成为另一研究热点。本论文运用分子动力学模拟方法,系统性地研究对比了用于接触角测量的密度轮廓法(二维和三维模型)和液滴高度法,此外,研究了两种简单复合材料表面的浸润特性。本文的研究结果不仅对分子动力学以及第一性原理分子动力学模拟方法测定接触角有着至关重要的作用,而且为研究复杂复合材料表面浸润性提供理论指导。研究成果如下:(1)首先研究了不同浸润性表面上不同尺寸液滴的接触角。研究表明,三维模型可根据cosθ~1/RB的线性关系来获取宏观接触角的值,二维模型接触角随尺寸的增加迅速收敛,且三维模型得到的宏观接触角与二维模型的接触角几乎相等,最大误差不超过8°,因此两种模型均可用来预测接触角;相较疏水表面,液滴在亲水性表面需要更长时间达到平衡,体系平衡时间整体上呈现随液滴尺寸的增加而增加的趋势,且材料表面越亲水,平衡时间随液滴尺寸的增加越显著。(2)根据cosθ~1/RB的线性关系,得到了分子动力学模拟中有效表征接触角的最小液滴。此外,通过液滴分区分析以及液滴体积的修正优化了液滴高度法:只需要获得液滴高度就可以得到接触角的值。(3)完成了复合材料表面浸润性特征的研究。通过改变复合材料中超疏水材料的占比,实现了材料表面浸润性的调控,接触角随着超疏水材料占比的增大而增大,而且模拟所得接触角与理论计算的接触角吻合良好,相对误差小于6%;液滴在复合材料表面的浸润过程存在钉扎效应,三相接触线区域不平衡的相互作用是接触线上钉扎力的来源,钉扎效应是导致接触角突变的原因,固液气三相接触线区域的性质是影响接触角的主要因素。
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