硅片空蚀实验中表面粗糙度和润湿性的影响

通过几何形貌变化和沉积Au和DLC超薄膜改变硅片的表面粗糙度和润湿性, 利用自制的振动空蚀实验装置对硅片在去离子水中的材料微观破坏情况进行研究. 扫描电子显微镜(SEM)和表面形貌仪用来对实验前后的硅片表面形貌进行检测; 采用接触角测量系统对试样表面润湿性进行表征. 结果表明, 振动空蚀实验后硅片表面会产生由于脆性断裂引起的微小蚀坑和裂纹, 随实验时间增加, 蚀坑和裂纹的数量增加且尺寸增大, 造成材料剥落; 几何形貌引起的粗糙度增加和表面沉积Au和DLC超薄膜引起的表面接触角增大, 都使得硅片的空化更易于发生, 从而加重了空蚀破坏程度.     

碳钢空蚀磨粒形态特征与空蚀阶段的关系

对3种不同含碳量的碳钢进行振动空蚀实验, 收集空蚀过程中产生的磨粒, 对磨粒形态特征进行量化表征和显微观察, 结合空蚀表面的XRD检测结果和显微图像进行分析, 发现表面材料沿滑移面变形或解理导致整个空蚀过程中的片状磨粒较多(超过45%), 条状磨粒一直较少(少于25%), 而颗粒状磨粒数量开始较少, 在空蚀加速阶段迅速增加, 到空蚀稳定期又略有减少. 磨粒的球形度值的变化与材料的空蚀阶段有较好的对应关系. 空蚀初生期和加速期的磨粒球形度值分别在0.3~0.4和0.5~0.7之间. 到空蚀稳定期, 球形度值略有下降但不低于0.5.     

激光喷丸强化技术在镍铝青铜抗海水空蚀中的应用

镍铝青铜合金构件在海水中发生腐蚀和空蚀,表面形变硬化提高构件抗空蚀性能,激光喷丸强化具有在材料表面预置压应力、相变硬化、改善机械化学性能、提高综合抗海水腐蚀、空蚀的能力和作用.     

圆弧曲线末端水流的空化问题

以圆弧曲线构成的固体边界在高速水流作用下极易发生水流的空化和固体边界的空蚀破坏,这是水利工程中极待解决的问题,但是目前对圆弧曲线上水流空化原因尚不清楚,因而不能在已定的固体边界条件下预测空化的发生。我们对此问题作了一些研究,现将情况介绍如下:     

激光喷丸强化技术在镍铝青铜抗海水空蚀中的应用

镍铝青铜合金构件在海水中发生腐蚀和空蚀,表面形变硬化提高构件抗空蚀性能,激光喷丸强化具有在材料表面预置压应力、相变硬化、改善机械化学性能、提高综合抗海水腐蚀、空蚀的能力和作用。     

利用双流体模型研究柴油高压喷嘴内部的空化流动

利用双流体模型对一单孔柴油喷嘴内部复杂的空化流动进行数值模拟, 并分别考察进口压力恒定和进口压力瞬变这两种不同的边界条件所对应的空化过程及流动特征. 模型预测的结果与文献中已有的实验结果吻合较好. 通过数值分析发现, 超空化的出现引起了流场结构及出流条件的显著改变, 超空流状态下的液相湍动能分布特征和喷孔出口速度类型有利于柴油射流的一次雾化过程. 此外, 喷孔上游的压力波动对空化过程有着重大的影响, 无论是部分空化还是超空化都会随着上游压力的急剧升高或降低而表现出不稳定的特性.     

从确定性到随机性的黏附接触理论

胶体、药物输运、细胞-病毒等体系中广泛涉及纳米颗粒与弹性固体表面之间的黏附相互作用.本文简要回顾了黏附接触理论的发展历史:已有的确定性黏附接触理论(如JKR,DMT等模型)预测,颗粒在低于临界分离拉力的作用下不会与基底分离,这一结论在颗粒特征尺寸减小到纳米尺度时不再适用.研究表明:当纳米颗粒与固体表面黏附的能量尺度接近环境热噪声的特征能量时,其界面黏附呈现出显著的尺寸效应和由此导致的随机性.基于经典的Kramers理论,建立了统计的黏附接触理论,将纳米颗粒与固体表面的黏附状态演化视为广义扩散过程,并用黏附寿命的概率分布描述黏附界面的相对强弱.两个纳米颗粒同时与弹性固体表面作用时,二者的黏附状态呈现明显的时空关联,可通过改变其中一颗粒的状态,间接调控另一颗粒的黏附寿命.     

纳米金颗粒对葡萄糖氧化酶活力增强效应的初步探讨

纳米金颗粒对葡萄糖氧化酶(GOD)活力的增强作用已经从掺金GOD电极响应电流的变化中得到证实.当颗粒粒径从30nm减小到10nm时,这种增强效应发生了质的飞跃.对于这一现象的根源,有两种可能:一种是表面效应的作用,即颗粒粒径变小所带来的总比表面的增大,提供了越来越多的GOD吸附位点与作用位点,使总催化能力增强;另一种是量子尺寸效应,即当颗粒小到一定程度时,颗粒表面与GOD分子能够发生电子传递,进而影响GOD的催化能力.由于酶本身作用机制的复杂性,通常很难直接断定哪一种效应在起主要作用.最近,我们在研究金纳米颗粒与GOD相互作用的过程中,发现了GOD的吸附量与催化能力的非对应关系,从而得到了量子尺寸效应在纳米颗粒增强GOD酶活力过程中起重要作用的有力证据.     

基于碳烟表面活性的多步碳烟生成机理研究柴油机碳烟生成的主要影响因素

随着排放法规对发动机碳烟排放量以及碳烟颗粒尺寸的要求日益严格,柴油机部分预混燃烧技术通过协同控制燃烧过程中混合与化学反应参数,可以实现高热效率与超低的碳烟排放.这样使得燃烧边界条件对碳烟生成过程的影响成为研究的关键问题.本研究利用三维CFD数值模拟方法,耦合正庚烷化学动力学简化模型以及改进的多步现象学碳烟模型,来预报以正庚烷为替代燃料的柴油机部分预混燃烧过程及其排放特性.乙炔作为碳烟前驱物形成以及碳烟表面生长的主要组分,其生成历程的准确预报为模拟碳烟形成奠定了基础.碳烟表面生长过程是碳烟质量积累的重要过程,本研究引入碳烟颗粒活化表面比例分数αCH作为评价碳烟表面活化程度的标准,探讨了不同燃烧边界条件对碳烟表面活化程度的影响.研究结果表明,对于混合气均匀的燃烧工况,氧浓度降低导致燃烧温度降低,引起单位面积上的碳烟生长速率大幅降低是表面生长速率减慢的主要原因,最终导致碳烟的生成量减少;随着混合气分层程度增加,燃烧过程中积累了大量未燃碳氢化合物,促进了乙炔的生成和碳烟表面活化程度升高,加速了碳烟表面生长过程,导致最终碳烟排放恶化.此外,燃烧过程中残留的CO对碳烟后期氧化产生一定的抑制作用.     

纳米颗粒表面活性剂对多孔介质中黏性指进现象的抑制

多孔介质中不稳定的两相驱替会导致黏性指进现象,对实际工业中的两相流动过程产生不利影响.已有文献证明水相中的表面功能化纳米颗粒和油相中的功能化基团聚合物可以在油水界面发生反应生成纳米颗粒表面活性剂,降低界面张力并诱发界面黏弹性.本文提出使用纳米颗粒表面活性剂抑制多孔介质中黏性指进的新方法,通过微流体可视化实验,研究了纳米颗粒表面活性剂对多孔介质中驱替界面特性的影响规律.结果表明,纳米颗粒表面活性剂可以有效抑制多孔介质中的黏性指进现象,驱替效率对比纯水纯油提高了约2.5倍.通过分析基于不同毛细数与黏度比下的驱替模式分布相图,得到了多孔介质中纳米颗粒表面活性剂稳定驱替和黏性指进两种驱替模式的转变界限,证明纳米颗粒表面活性剂驱替对比纯水纯油大幅提高了黏性指进出现的临界毛细数和黏度比,在不同的参数范围内对黏性指进都有显著的抑制作用,为多孔介质中黏性指进的抑制提供了新的思路.     

方兴未艾的超声空化技术应用

超声波与声波一样,是物质介质中的一种弹性机械波,其频率范围为2×104Hz～109Hz.超声波在物质介质中可形成介质粒子的机械振动.当超声波能量足够高时,就会产生超声空化现象:液体中的微气泡在声场作用下发生一系列动力学过程,压力波的作用使流体中分子的平均距离随着分子的振动而变化,在超声波纵向传播形成的负压区微气泡产生、生长,而在正压区又迅速崩溃、闭合.理论和实验已证实,空化过程可以把声场能量集中(聚焦)起来,伴随空化泡崩溃瞬间,在空化泡周围的极小空间内产生异乎寻常的高温(＞5000K℃)、高压(＞5×107Pa)、强冲击波和射流等极端物理条件,其能量效应和机械效应会引起特殊的物理和化学效果.     

空化泡内外质量交换的唯象模型

空化泡内外的质量交换是一个多种交换方式共同作用的综合过程, 其中包括气体扩散、气液相变、化学反应等. 本文提出了一个描述空化泡内外质量交换的唯象模型, 它以空化泡内外压强差作为质量交换的驱动力. 与已有的具体物理模型相比, 具有形式简单、计算量小的特点. 联合Rayleigh-Plesset气泡动力学方程, 计算了质量交换动态平衡后的空化泡平衡半径. 结果表明, 平衡半径具有多重性. 另外计算了平衡半径与驱动声压的关系, 并研究了模型参数对其结果的影响. 最后, 对不同驱动声压下的硫酸中空化泡脉动进行了实验测量, 得到的平衡半径随声压变化的关系很好地支持了模型计算     

湍流作用下可压缩液体中空化泡的动力学特性

以水为工作介质, 在综合考虑了液体黏性、表面张力、液体压缩性以及湍流作用等因素的情况下, 对孔板水力空化反应器中空化泡动力学行为特性进行了详细数值研究. 详细分析了湍流作用、空化泡初始半径、孔板下游恢复压力、管道直径以及孔板直径与管道直径之比对空化泡运动特性及其所形成的压力脉冲的影响规律, 发现了一些新现象, 如空化泡半径二次生长现象. 研究结果可为水力空化反应器的优化设计以及水力空化技术的实际应用提供一定的理论指导与技术支撑.     

纳米颗粒表面活性剂对T型微通道中液滴分裂的影响

液滴分裂是微通道中获得单分散小尺寸液滴的重要方法,纳米颗粒表面活性剂能够包裹液滴,是制备功能胶囊的潜在技术手段,研究纳米颗粒表面活性剂作用下的液滴分裂行为对于获得尺寸更小、分散性更好的功能液滴具有重要意义.本文通过微流体可视化实验和理论分析方法,研究纳米颗粒表面活性剂对液滴分裂的影响规律.在纳米颗粒表面活性剂作用下,液滴分裂存在阻塞分裂、过渡态分裂、非阻塞分裂、不分裂4种状态;通过分析液滴颈部宽度随时间的变化关系,得出纳米颗粒表面活性剂对液滴分裂的影响机理,即通过降低界面张力影响挤压颈缩速率;通过分析基于液滴尺寸与毛细数的液滴分裂状态分布相图,建立了液滴阻塞分裂与非阻塞分裂的临界转化理论模型.     

磁流体Co-硅油的微观结构

为了揭示磁流体内部微观结构的变化,特别是磁性纳米颗粒的链状排列的细节,本文对一种组分为Ｃｏ＿硅油的磁流体试样进行了光学和电子显微分析.在外加磁场和表面张力作用下,当磁流体的磁化强度达到或超过饱和状态时,磁流体的自由表面呈现许多宏观分离的立体锥状液柱形貌,这种现象与磁粉在磁铁作用下极为相似[1～4].在磁流体中,磁性颗粒由于被稳定剂改性,已与载液胶溶为一体.因而磁性颗粒在磁场作用下使磁流体液柱升高.此时磁流体的磁能降低,而表面能增大[1,4].将磁流体薄层放置在一磁场中,通过光学显微镜观察还可得到各种不同的表面扰动形貌,…     

Au/TiO2复合纳米粒子的研究——Ⅰ.制备与表征

用波长 (λ) >330nm的光照射含胶态TiO2 的HAuCl4 溶液制得纳米Au/TiO2 复合颗粒 ,粒径大小约为2 5nm .在 540nm观察到金的表面等离子体共振峰 .该峰位和水相中纯的金溶胶相比 ,红移了约 2 0nm .通过HRTEM ,EDS分析了复合颗粒的组成 ,确证金簇以微晶的形式沉积在TiO2 表面 .此外还讨论了Au/TiO2复合颗粒的形成过程及金属与支持体之间的电子作用     

纳米金颗粒在石英晶体微天平检测DNA中的表面修饰作用

采用石英晶体微天平(QCM)技术, 用不同粒径的纳米金颗粒来进行QCM的表面修饰, 提高对单链靶标DNA的检测灵敏度. 在相同的实验条件下, 通过研究5~60 nm范围内不同粒径纳米金颗粒对QCM表面的修饰作用发现: 金颗粒粒径的大小对DNA探针在石英晶体微天平表面的固定量和DNA的杂交率均有影响. 20 nm粒径的金颗粒对QCM表面修饰作用为最佳, 能最好地提高DNA检测灵敏度.     

在铝的阳极氧化过程中氧化铝纳米线的生长

在两步法制备多孔阳极氧化铝模板过程中, 观察到氧化铝纳米线的生长. 这种纳米线生长过程不同于通常的化学腐蚀生成过程, 电场和应力的共同作用是导致氧化铝纳米线形成的主要原因, 同时抛光后铝箔表面的纳米压痕也是导致纳米线形成的重要因素.     

三维颗粒系统中表面斑图的簇模型

通过与二维颗粒系统的类比, 建立三维颗粒系统在垂直激励下形成表面斑图的簇模型, 并 将表面斑图解释为正棱台簇和底板的碰撞以及正棱台簇和边界的碰撞共同作用的结果. 根据正棱 台簇在与底板的碰撞中吸取能量这一事实, 详细讨论了单个簇与底板的碰撞过程. 再根据运动的 周期性, 由速度关系推导出簇模型的一个基本方程. 该方程将系统的特征参量和激励参量联系在 一起, 并以此分析斑图随激励加速度和激励频率的变化, 以及色散关系. 在一定的参数范围内, 理论与实验吻合较好.     

烧结多孔表面分布式阵列射流沸腾

使用50, 100和200μm粒径的铜粉,分别烧结制作了厚度为2倍粒径的多孔结构表面,以新型环保电子冷却液HFE7000为工质,进行了分布式阵列射流沸腾的换热性能实验,并将实验结果与光滑表面进行了对比.结果表明,烧结多孔表面增加了对流换热面积,增强了流体扰动,大大强化了单相段换热性能,且流量越高,强化效果越显著;100和200μm颗粒烧结表面的强化效果接近,且明显好于50μm颗粒烧结表面,表明粒径和厚度对传热性能具有重要影响.在射流沸腾换热过程中,多孔烧结表面提供了更多的气化核心和更大的换热面积,但同时也增加了蒸汽逸出阻力, 100μm颗粒烧结表面强化效果最佳,其最大沸腾换热系数比光滑表面提高了61%.分布式射流是沸腾表面补液的主要途径,由于HFE7000本身表面张力小、亲水性好,多孔表面吸液能力对于临界热流密度(critical heat flux, CHF)的影响较小, 100μm颗粒烧结表面的CHF和光滑表面相比仅提高了17%.尽管如此,烧结多孔表面的核态沸腾偏离点(departure from nucleate boiling, DNB)与CHF之间的热流密度区间显著变大,对实际应用过程有利.