含纳米颗粒液滴蒸发沉积特性数值研究

摘要

含纳米颗粒的液滴蒸发后将形成一定的沉积图案，相应沉积图案的调控在喷墨打印、涂层技术等领域具有广泛的应用。目前该领域的研究主要集中在实验方面，探究活性剂、温度场、电润湿、溶质颗粒形状等因素对沉积结构的影响，但涉及沉积图案形成机理的理论研究还有所欠缺。鉴于微纳尺度流动的复杂性和观测困难等因素，数值模拟已成为开展相关课题研究的重要手段，其研究成果可为提出颗粒沉积图案调控的有效手段提供理论基础。 本文针对含纳米颗粒液滴蒸发过程，研究纳米颗粒的形状对颗粒沉积特性的影响。主要内容如下 (1) 基于润滑理论，建立了含纳米颗粒液滴蒸发过程的数学模型，其中考虑了液体粘度受粒子形状的影响，并全面建立了粒子形状与溶液黏度的关联关系；运用FREEFEM 软件对处于蒸发后期的演化历程进行数值模拟，研究了不同形状纳米颗粒对沉积环高度和演化过程中蒸发项、对流项、扩散项以及三相接触线后移速度的影响。 (2) 采用Navier滑移边界条件，基于润滑理论建立了存在微弱滑移时液滴蒸发的演化方程，通过数值模拟对三相接触区域附近的演化特征进行探索，比较了不同滑移尺度下含纳米颗粒液滴蒸发及三相接触线不钉扎时的演化历程；通过分析分离压和气液界面压力与蒸汽压的压差的变化趋势，探讨了滑移尺度对沉积图案的作用机理，寻找具有实际指导意义的控制沉积结构的方法。

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主要符号表

第1章 绪论

1.1 研究背景及意义

1.2 研究方法

1.3 研究现状

1.4 研究内容

第2章 形状各向异性粒子对沉积高度的影响

2.1 引言

2.2 数值计算方法

2.2.1 数理模型

2.2.2 计算方法和边界条件

2.3 含长椭球纳米粒子液滴的蒸发过程

2.4 纳米粒子形状的影响

2.4.1 对液滴蒸发过程的影响

2.4.2 对蒸发损失项、对流项、扩散项的影响

2.4.3 对分离压的影响

2.4.4 对表面速度的影响

2.5 计算结果与实验结果对比

2.6 本章小结

第3章 滑移尺度对含纳米颗粒液滴沉积特性的影响

3.1 引言

3.2 数值计算方法

3.2.1 物理模型

3.2.2 计算方法和边界条件

3.3 计算结果及分析

3.3.1 液滴蒸发沉积过程

3.3.2 蒸发项、对流项、扩散项

3.3.3 分离压及驱动压差

3.3.4 液滴表面速度

3.4 本章小结

第4章 结论与展望

4.1 结论

4.2 研究展望

参考文献

攻读硕士学位期间发表的学术论文及其他成果

致谢