微尺度下固液界面张力的分子动力学研究

来源 :华北电力大学(北京) | 被引量 : 0次 | 上传用户:hzz118
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了解固液界面的性质对许多工艺过程都很重要,固液界面张力是研究固液界面性质的重要物理量,是决定材料微观结构和力学性能的关键因素。随着研究尺度的减小,固液界面张力难以通过实验手段测量,分子动力学模拟成为研究固液界面张力的有效方法。本文采用分子动力学方法模拟了二维液滴在光滑壁面和倒三角形、矩形、梯形纳米结构粗糙壁面下的润湿行为,探讨不同固液势能参数、不同温度和壁面结构对固液界面张力的影响规律;研究不同固液势能参数和温度下液膜在受限壁面和单侧壁面下的界面张力。在液滴体系下的研究表明:固液界面张力随固液势能参数的增大而减小。在疏水时,固液界面张力大于表面张力,纳米结构的存在使固液界面张力增加,粗糙壁面下的固液界面张力高于光滑壁面;在亲水时,粗糙壁面下的固液界面张力高于光滑壁面但固液界面张力值低于表面张力。在粗糙壁面体系下,当固液界面张力随固液势能参数变化速度发生改变时,接触角随固液势能参数变化的斜率也发生相应的转折。在研究温度对固液界面张力的影响时发现,固液界面张力和表面张力均随温度的升高而降低。在疏水时,表面张力随温度变化的斜率小于固液界面张力随温度变化的斜率,光滑壁面和粗糙壁面下的固液界面张力均高于表面张力,接触角随温度升高而增大,同温度时倒三角形纳米结构下的接触角最大,梯形结构下的接触角最小;在亲水时,表面张力下降速度较固液界面张力的下降速度快,在温度较低时,固液界面张力相对较小,在温度较高时,固液界面张力相对较大,接触角随温度升高而降低,同温度下倒三角形纳米结构下的接触角最小,梯形结构下的接触角最大。通过对液膜在受限空间和非受限空间下的密度分布形式和局部界面张力分布形式进行分析发现,固液界面张力和密度均以振荡形式分布,且两者的振荡形式一致,对应的波峰位置和数目也表现出一致性。在疏水时,法向压力在固液界面区出现多个峰值,但仅出现一个谷值;切向压力在固液界面区的值始终为负,仅有一个谷值;在亲水时,法向压力在固液界面区出现多个峰值和谷值,切向压力在固液界面区同样出现多个峰值和谷值。这为揭示固液界面性质提供理论支撑,从而指导不同纳米材料的设计、改善固液界面实现特定功能。
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