固液界面納米氣泡及其對(duì)流體邊界滑移影響的研究.pdf

1、當(dāng)粗糙的疏水表面浸入在水中時(shí)，固-液界面上通常會(huì)自發(fā)的生成納米氣泡。研究表明，固-液界面上的氣體有助于增大邊界滑移長度，減小流體在界面上的流動(dòng)阻力。隨著微/納機(jī)電系統(tǒng)和微流體系統(tǒng)的發(fā)展及應(yīng)用，如何降低流體在微管道內(nèi)流動(dòng)的摩擦阻力成為研究的熱點(diǎn)問題，納米氣泡作為固-液界面上氣體的主要表現(xiàn)形式，對(duì)流體邊界滑移的影響也因此受到廣泛的關(guān)注。本文利用原子力顯微鏡（Atomic force microscope, AFM）研究了聚苯乙烯（Polys

2、tyrene, PS）表面上納米氣泡的形貌，探索了固-液界面納米氣泡穩(wěn)定性的機(jī)理，通過控制聚苯乙烯-水界面上的納米氣泡的尺寸及分布，應(yīng)用接觸模式膠體探針 AFM法在不同氣泡覆蓋率的聚苯乙烯表面上測(cè)量流體的邊界滑移長度，建立了較完善的納米氣泡與滑移長度關(guān)系模型。
　　研究了PS基底的表面粗糙度對(duì)納米氣泡尺寸及分布的影響，在粗糙的PS表面上實(shí)現(xiàn)了對(duì)較大的微米級(jí)氣泡成像；基于裂隙理論，分析了大氣泡成核的原因。在較大的尺度范圍內(nèi)（100n

3、m~13μm）研究了納米氣泡接觸角的尺寸效應(yīng)，為進(jìn)一步研究納米氣泡的形貌與邊界滑移的關(guān)系提供了實(shí)驗(yàn)依據(jù)。
　　從界面氣體富集（Interface gas enrichment, IGE）、線張力及雜質(zhì)的影響三個(gè)方面分析并揭示納米氣泡的接觸角小于其楊氏接觸角的原因。通過分析醇-水替換前后在高旭熱解石墨表面上測(cè)量得到的力-距離曲線，證實(shí)了IGE與納米氣泡共存的現(xiàn)象；結(jié)合 Das提出的雜質(zhì)與接觸角的關(guān)系模型，探討了雜質(zhì)對(duì)納米氣泡接觸角的

4、影響；計(jì)算了100nm~13μm范圍內(nèi)的納米氣泡的線張力值；根據(jù)改進(jìn)的Young方程分析并揭示了線張力降低納米氣泡接觸角的機(jī)理。
　　實(shí)驗(yàn)研究了不同尺寸的納米氣泡的合并現(xiàn)象，提出了“接觸線相對(duì)影響”的概念，從基底的表面性質(zhì)及氣泡的三相接觸線對(duì)氣泡合并的影響進(jìn)行分析，揭示了納米氣泡發(fā)生移動(dòng)與合并的非確定性。以具體的納米氣泡合并過程成像為基礎(chǔ)，計(jì)算并分析了氣泡內(nèi)的氣體量在合并前后的變化，從靜電力的影響、雜質(zhì)的影響、探針-氣泡相互作用及

5、線張力的影響等方面分析和討論了導(dǎo)致納米氣泡合并后氣體量變化原因，得出 IGE是導(dǎo)致納米氣泡合并后氣體量增加的主要原因。
　　實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了掃描載荷對(duì)不同尺寸納米氣泡形貌的影響，證實(shí)了大氣泡比小氣泡在承受相同法向力的情況下變形更大的結(jié)論。通過時(shí)間演化實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了Weijs在接觸線錨固理論中納米氣泡的三相接觸線錨固不變假設(shè)；通過對(duì)比氣泡在時(shí)間演化實(shí)驗(yàn)中的壽命及理論壽命，驗(yàn)證并討論了接觸線錨固理論的正確性。以探針-氣泡相互作用模型為基礎(chǔ)，分

6、析了較大的微米級(jí)氣泡在時(shí)間演化實(shí)驗(yàn)中具有較快的氣體擴(kuò)散速度并率先消失的原因。結(jié)合動(dòng)態(tài)平衡理論、雜質(zhì)理論和接觸線錨固理論，同時(shí)考慮 IGE與納米氣泡共存、線張力及靜電力的影響，建立了納米氣泡穩(wěn)定性模型。
　　探討了固-液界面上存在納米氣泡的情況下接觸模式及動(dòng)態(tài)模式膠體探針AFM法測(cè)量滑移長度的有效性，建立了考慮氣泡形貌及分布的納米氣泡與滑移長度關(guān)系的模型。通過改變 PS基底的表面粗糙度和水中的氣體含量，控制PS-水界面上生成納米氣泡