微米级固体颗粒的分形及其与界面间粘附力的关系研究

摘要

随着科技的发展，微米级固体颗粒(以下简称微颗粒)或者粉尘颗粒对人类生产、生活的影响日益严重。由于这些颗粒细微，因此易造成环境污染且易粘附于各种表面，影响基底的表面性能。迄今，国内外学者对微颗粒接触粘附力的来源、粘附机理等方面进行了大量研究，但由于微颗粒与界面间粘附力的复杂性和微观性，使问题未能得到根本解决。因此，深入研究微颗粒与界面间的粘附现象和机制，分析微颗粒形状与接触界面间粘附力大小的关系，对于预防粘附现象的发生，清除基底表面的微颗粒污染有重大的理论意义和应用价值。
　　 论文在广泛查阅国内外相关文献和系统总结前人研究成果的基础上，采用理论研究、模型分析和实验室实验等相结合的研究方法，对固体微颗粒分形的基础理论、固体微颗粒粘附力学的模型研究、固体微颗粒分形与粘附力学的关系等展开了深入的研究。论文的主要工作和获得的成果总结如下：
　　 (1)在已有的研究成果基础上，对固体微颗粒分形的基础理论及固体微颗粒粘附的机理和模型等方面相关研究的成果进行了综合分析、比较和总结，并就固体微颗粒与界面间粘附的过程进行了系统探讨和分析，为探索微颗粒与界面间粘附力学的机理提供必要、可靠的理论基础和科学依据，把固体微颗粒分形和微颗粒与界面粘附的研究成果融汇成较完善、系统的基础理论体系。
　　 (2)详细研究了微颗粒与界面粘附的各种作用力和影响微米级固体颗粒与界面粘附的因素，并且建立了6种作用力的力学模型。研究表明，影响微米级固体颗粒与界面间粘附力大小的因素有：相互接触的界面结构、固体微颗粒的粒度和形状、接触界面和微颗粒的化学成分以及气候环境等。讨论了微米级固体颗粒分形分维的意义以及计算分形维数的方法，建立了微米级固体颗粒表面分维测算模型，为微颗粒分形分维实验打好了理论基础。
　　 (3)分析了六种接触粘附力学理论模型：Hertz接触理论模型、JKR接触理论模型、DMT接触理论模型、MD接触理论模型、Mindlin-Deresiewicz接触理论模型、Thornton接触理论模型。利用经典JKR理论模型，计算并讨论了弹性固体微颗粒粘附的力学尺度效应问题，从理论上研究了微颗粒与接触物体间的粘附半径和接触面形状与粘附强度的关系。研究表明，弹性固体微颗粒与接触面完全分开时的载荷Fp随弹性固体微颗粒半径R1，的增大而增加。在建立数学模型后计算发现，随着所计算微米级固体颗粒半径的增大，固体微颗粒与基底之间的粘附强度迅速下降，当所建立数学模型中微颗粒半径小于200nm时，粘附强度最大。
　　 (4)通过本文实验中所取区域内取样的大气中自由沉降微颗粒形状分析发现：实验所取样的自由沉降颗粒物具有较好的形状分形特性，其投影轮廓分形维数在0.869～1.048之间，微颗粒表面分维数在1.869～2.048之间。随着所取区域内实验取样时间的增加，沉降颗粒数量和平均粒径均增加，微颗粒的分形维数减少。由于沉降时间增长，某些自由沉降颗粒物黏结在一起使得其粒径增大，这种粘结物与其他的单个自由沉降颗粒物相比，形状不同，分形特性不明显(相关系数越来越小)。设计实验，研究了所取区域内实验取样的大气中自由沉降微颗粒分形与界面粘附力关系，研究发现：振荡时间相同的情况下，30d采样时间内载玻片表面粘附的微颗粒较容易清除。实验采样结果中自由沉降1d的微颗粒在载玻片表面分形维数大，微颗粒粒径较小，微颗粒表面形态复杂，微颗粒与界面的粘附力大，不易清除。
　　 (5)通过实验对硫化矿微颗粒形状进行了分析，并设计实验研究了三种粒径的硫化矿微颗粒与载玻片表面间粘附力学大小的关系。研究发现：实验所测试的硫化矿微颗粒具有较好的分形特性，硫化矿微颗粒的投影轮廓分维在1.4392～1.5492之间，颗粒物表面分形维数在2.4392～2.549之间，粒径大的微颗粒，分形维数小。采样结果发现，在振荡时间相同的情况下，粘附于载玻片的60～100目的硫化矿微颗粒分形维数小，清除率高；大于200目的微颗粒分形维数大，较难从载玻片上清除。
　　 (6)通过实验研究了用表面活性剂来减小固体微颗粒与载玻片界面间的粘附力。由实验结果分析得知，在载玻片表面涂有表面活性剂后，粉尘微颗粒与载玻片表面间的粘附力有所减少，而且表面活性剂种类不同，对于粘附力的减小程度不同。