液体弹珠与颗粒筏力学行为的实验与理论研究

摘要

液体弹珠和颗粒筏是具有疏水性的微纳米颗粒组装在液-气界面上而形成的软物质，具有很多奇特的性质，因而在微量液体转移、微流体器件，生物、化学、原油乳液和矿物浮选等领域得到了广泛应用。本文对液体弹珠和颗粒筏的力学行为进行了系统研究，研究过程中搭建了一套新型的试验装置以测试其力学响应，并采用量纲分析、连续介质力学以及表界面物理等知识建立模型进行理论分析。 首先，本文研究了液体弹珠和液滴随着体积减少而表现出不同的浸润性的现象，发现在其内部所含液体较少的时候，液体弹珠的性质更加接近于固体。当所含液体量非常少的时候，液体弹珠呈现出固体薄膜的性质，并表现出较好的弹塑性行为。此时，该薄膜受压缩并当压力撤销之后能够保持很大的变形。在此基础上，利用这一性质，可以将该种薄膜任意雕刻成特定的几何形状。通过力学分析，我们发现这一现象主要是由于颗粒的表面密度随着含水量的减少而发生了逐步改变。 然后对颗粒筏的承载能力进行了全面研究。我们设计了一套专门的实验装置，采用该装置测量了细长杆对液面和颗粒筏进行垂直加载时受到的力，得到了力-位移实验曲线。该装置也能对液面和颗粒筏在受到加载时产生的形貌变化进行记录，发现细长杆在刺穿水面和颗粒筏的过程中两者的弯液面形貌有很大的不同。此外也测量了水和颗粒筏的表面张力，发现两者的表面张力并无差别，这进一步说明细杆插入液面时的宏观接触角是一个重要的影响参数。基于这些实验结果，我们建立了相应的力学模型，通过数值计算得到的力-位移曲线与实验值非常吻合。 这些理论分析加深了我们对于液体弹珠和颗粒筏力学性质的理解，同时这些实验结果在微型打印、复合材料制备、软物质操控、原油乳液油水分离、矿物浮选和生物医学工程等领域有一定的潜在应用价值。

目录

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第一章 绪论

1.1 研究背景与意义

1.1.1 软物质基础

1.1.2 自然界中的液体弹珠

1.1.3 液体弹珠和颗粒筏的基础与应用

1.2 国内外研究现状

1.2.1 液体弹珠

1.2.2 颗粒筏

1.3 研究内容与技术路线

1.3.1 研究目标

1.3.2 研究内容

1.3.3 研究方法

1.3.4 技术路线

1.4 本章小结

第二章 理论与实验基础

2.1 表面张力

2.1.1 表面张力基础

2.1.1 表面张力的测量

2.2 接触角和浸润性

2.2.1 接触角基础

2.2.2 接触角的测量

2.2.3 粗糙表面浸润模型

2.3 本章小结

第三章 液体弹珠的弹塑性变形研究

3.1 液体弹珠的力学行为

3.2 弹塑性变形实验与分析

3.2.1 实验过程

3.2.2 形貌的对比

3.2.3 接触半径的对比

3.2.3 接触角的对比

3.2.4 表面颗粒密度

3.3 液体弹珠弹塑性转变后的力学性质

3.3.1 液体弹珠的可塑现象

3.3.2 液体弹珠字母表

3.4 本章小结

第四章 颗粒筏的承载能力研究

4.1 颗粒筏的概念与性质

4.2 颗粒筏加载实验

4.2.1 实验装置

4.2.2 细长杆的表面处理

4.2.3 颗粒筏表面张力的测量

4.3 液面的形貌变化

4.4 力-位移曲线

4.5 力学模型与计算

4.6 本章小结

总结与展望

总结

展望

参考文献

攻读硕士学位期间取得的学术成果

致谢