微米級(jí)固體顆粒的分形及其與界面間粘附力的關(guān)系研究.pdf

1、隨著科技的發(fā)展，微米級(jí)固體顆粒(以下簡(jiǎn)稱微顆粒)或者粉塵顆粒對(duì)人類生產(chǎn)、生活的影響日益嚴(yán)重。由于這些顆粒細(xì)微，因此易造成環(huán)境污染且易粘附于各種表面，影響基底的表面性能。迄今，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)微顆粒接觸粘附力的來(lái)源、粘附機(jī)理等方面進(jìn)行了大量研究，但由于微顆粒與界面間粘附力的復(fù)雜性和微觀性，使問(wèn)題未能得到根本解決。因此，深入研究微顆粒與界面間的粘附現(xiàn)象和機(jī)制，分析微顆粒形狀與接觸界面間粘附力大小的關(guān)系，對(duì)于預(yù)防粘附現(xiàn)象的發(fā)生，清除基底表面的微顆

2、粒污染有重大的理論意義和應(yīng)用價(jià)值。
　　 論文在廣泛查閱國(guó)內(nèi)外相關(guān)文獻(xiàn)和系統(tǒng)總結(jié)前人研究成果的基礎(chǔ)上，采用理論研究、模型分析和實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)等相結(jié)合的研究方法，對(duì)固體微顆粒分形的基礎(chǔ)理論、固體微顆粒粘附力學(xué)的模型研究、固體微顆粒分形與粘附力學(xué)的關(guān)系等展開了深入的研究。論文的主要工作和獲得的成果總結(jié)如下：
　　 (1)在已有的研究成果基礎(chǔ)上，對(duì)固體微顆粒分形的基礎(chǔ)理論及固體微顆粒粘附的機(jī)理和模型等方面相關(guān)研究的成果進(jìn)行了綜合分

3、析、比較和總結(jié)，并就固體微顆粒與界面間粘附的過(guò)程進(jìn)行了系統(tǒng)探討和分析，為探索微顆粒與界面間粘附力學(xué)的機(jī)理提供必要、可靠的理論基礎(chǔ)和科學(xué)依據(jù)，把固體微顆粒分形和微顆粒與界面粘附的研究成果融匯成較完善、系統(tǒng)的基礎(chǔ)理論體系。
　　 (2)詳細(xì)研究了微顆粒與界面粘附的各種作用力和影響微米級(jí)固體顆粒與界面粘附的因素，并且建立了6種作用力的力學(xué)模型。研究表明，影響微米級(jí)固體顆粒與界面間粘附力大小的因素有：相互接觸的界面結(jié)構(gòu)、固體微顆粒的粒度

4、和形狀、接觸界面和微顆粒的化學(xué)成分以及氣候環(huán)境等。討論了微米級(jí)固體顆粒分形分維的意義以及計(jì)算分形維數(shù)的方法，建立了微米級(jí)固體顆粒表面分維測(cè)算模型，為微顆粒分形分維實(shí)驗(yàn)打好了理論基礎(chǔ)。
　　 (3)分析了六種接觸粘附力學(xué)理論模型：Hertz接觸理論模型、JKR接觸理論模型、DMT接觸理論模型、MD接觸理論模型、Mindlin-Deresiewicz接觸理論模型、Thornton接觸理論模型。利用經(jīng)典JKR理論模型，計(jì)算并討論了彈性

5、固體微顆粒粘附的力學(xué)尺度效應(yīng)問(wèn)題，從理論上研究了微顆粒與接觸物體間的粘附半徑和接觸面形狀與粘附強(qiáng)度的關(guān)系。研究表明，彈性固體微顆粒與接觸面完全分開時(shí)的載荷Fp隨彈性固體微顆粒半徑R1，的增大而增加。在建立數(shù)學(xué)模型后計(jì)算發(fā)現(xiàn)，隨著所計(jì)算微米級(jí)固體顆粒半徑的增大，固體微顆粒與基底之間的粘附強(qiáng)度迅速下降，當(dāng)所建立數(shù)學(xué)模型中微顆粒半徑小于200nm時(shí)，粘附強(qiáng)度最大。
　　 (4)通過(guò)本文實(shí)驗(yàn)中所取區(qū)域內(nèi)取樣的大氣中自由沉降微顆粒形狀分析

6、發(fā)現(xiàn)：實(shí)驗(yàn)所取樣的自由沉降顆粒物具有較好的形狀分形特性，其投影輪廓分形維數(shù)在0.869～1.048之間，微顆粒表面分維數(shù)在1.869～2.048之間。隨著所取區(qū)域內(nèi)實(shí)驗(yàn)取樣時(shí)間的增加，沉降顆粒數(shù)量和平均粒徑均增加，微顆粒的分形維數(shù)減少。由于沉降時(shí)間增長(zhǎng)，某些自由沉降顆粒物黏結(jié)在一起使得其粒徑增大，這種粘結(jié)物與其他的單個(gè)自由沉降顆粒物相比，形狀不同，分形特性不明顯(相關(guān)系數(shù)越來(lái)越小)。設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，研究了所取區(qū)域內(nèi)實(shí)驗(yàn)取樣的大氣中自由沉降微顆

7、粒分形與界面粘附力關(guān)系，研究發(fā)現(xiàn)：振蕩時(shí)間相同的情況下，30d采樣時(shí)間內(nèi)載玻片表面粘附的微顆粒較容易清除。實(shí)驗(yàn)采樣結(jié)果中自由沉降1d的微顆粒在載玻片表面分形維數(shù)大，微顆粒粒徑較小，微顆粒表面形態(tài)復(fù)雜，微顆粒與界面的粘附力大，不易清除。
　　 (5)通過(guò)實(shí)驗(yàn)對(duì)硫化礦微顆粒形狀進(jìn)行了分析，并設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)研究了三種粒徑的硫化礦微顆粒與載玻片表面間粘附力學(xué)大小的關(guān)系。研究發(fā)現(xiàn)：實(shí)驗(yàn)所測(cè)試的硫化礦微顆粒具有較好的分形特性，硫化礦微顆粒的投影輪

8、廓分維在1.4392～1.5492之間，顆粒物表面分形維數(shù)在2.4392～2.549之間，粒徑大的微顆粒，分形維數(shù)小。采樣結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在振蕩時(shí)間相同的情況下，粘附于載玻片的60～100目的硫化礦微顆粒分形維數(shù)小，清除率高；大于200目的微顆粒分形維數(shù)大，較難從載玻片上清除。
　　 (6)通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究了用表面活性劑來(lái)減小固體微顆粒與載玻片界面間的粘附力。由實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析得知，在載玻片表面涂有表面活性劑后，粉塵微顆粒與載玻片表面間的粘附