微米級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，微米級固體顆粒(以下簡稱微顆粒)或者粉塵顆粒對人類生產(chǎn)、生活的影響日益嚴重。由于這些顆粒細微，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，國內(nèi)外學者對微顆粒接觸粘附力的來源、粘附機理等方面進行了大量研究，但由于微顆粒與界面間粘附力的復雜性和微觀性，使問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)象和機制，分析微顆粒形狀與接觸界面間粘附力大小的關(guān)系，對于預防粘附現(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)用價值。
　　 論文在廣泛查閱國內(nèi)外相關(guān)文獻和系統(tǒng)總結(jié)前人研究成果的基礎(chǔ)上，采用理論研究、模型分析和實驗室實驗等相結(jié)合的研究方法，對固體微顆粒分形的基礎(chǔ)理論、固體微顆粒粘附力學的模型研究、固體微顆粒分形與粘附力學的關(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，對固體微顆粒分形的基礎(chǔ)理論及固體微顆粒粘附的機理和模型等方面相關(guān)研究的成果進行了綜合分

3、析、比較和總結(jié)，并就固體微顆粒與界面間粘附的過程進行了系統(tǒng)探討和分析，為探索微顆粒與界面間粘附力學的機理提供必要、可靠的理論基礎(chǔ)和科學依據(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)詳細研究了微顆粒與界面粘附的各種作用力和影響微米級固體顆粒與界面粘附的因素，并且建立了6種作用力的力學模型。研究表明，影響微米級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成分以及氣候環(huán)境等。討論了微米級固體顆粒分形分維的意義以及計算分形維數(shù)的方法，建立了微米級固體顆粒表面分維測算模型，為微顆粒分形分維實驗打好了理論基礎(chǔ)。
　　 (3)分析了六種接觸粘附力學理論模型：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，計算并討論了彈性

5、固體微顆粒粘附的力學尺度效應(yīng)問題，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)學模型后計算發(fā)現(xiàn)，隨著所計算微米級固體顆粒半徑的增大，固體微顆粒與基底之間的粘附強度迅速下降，當所建立數(shù)學模型中微顆粒半徑小于200nm時，粘附強度最大。
　　 (4)通過本文實驗中所取區(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)：實驗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)實驗取樣時間的增加，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。由于沉降時間增長，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)越來越小)。設(shè)計實驗，研究了所取區(qū)域內(nèi)實驗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)：振蕩時間相同的情況下，30d采樣時間內(nèi)載玻片表面粘附的微顆粒較容易清除。實驗采樣結(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)復雜，微顆粒與界面的粘附力大，不易清除。
　　 (5)通過實驗對硫化礦微顆粒形狀進行了分析，并設(shè)計實驗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大小的關(guān)系。研究發(fā)現(xiàn)：實驗所測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)通過實驗研究了用表面活性劑來減小固體微顆粒與載玻片界面間的粘附力。由實驗結(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