论文部分内容阅读
随着科学技术的发展,自然科学和工程技术正朝着微型化和纳米化方向迈进。微/纳电子机械系统和微/纳流体系统技术在现代工业、电子信息技术及生物工程等领域有着广泛的发展和应用前景。但受微尺度因素影响,微小尺度零件的成形制造和微纳流体流动的许多理论和技术问题,尚未得到有效解决。尤其是对微纳尺度通道中非牛顿性高聚物熔体的流动行为和流场中的分子链结构形态变化规律及其影响因素的微观作用机理,还缺乏全面的了解和深刻的认识。这是影响微纳系统技术发展和微流体器件应用的关键核心问题。因此研究微纳尺度通道中长链高分子流体的微观流动行为,探索流场中不同因素对长链分子运动形态的作用机理,揭示微纳尺度流体的流动规律,对促进微纳系统技术的发展具有重要意义。 本文在全面了解微纳尺度流体流动理论和应用技术研究现状的基础上,针对高聚物分子在微纳尺度通道中的流动行为及不同影响因素的作用关系,依据高聚物流变理论,采用分子动力学方法和珠簧链模型,模拟了长链高分子在纳米尺度通道中的泊肃叶流动行为。着重研究了光滑通道中的分子链长度、外部驱动力、边界作用参数、通道高度及熔体温度,对高聚物分子流动特性的影响关系;通道表面粗糙度对高聚物流动特性的影响;超声波作用场对高聚物流动过程的促进作用。通过统计聚合物速度场信息、聚合物单体空间分布信息、聚合物流动输运信息、聚合物结构改变信息,分析了聚合物在纳米通道流动过程中动态特性和结构特性。 光滑通道中分子链长度、外部驱动力、边界作用参数、通道高度及熔体温度对聚合物流动特性影响的研究结果表明:①聚合物链长度增加,聚合物的扩散能力增加,分子链的回转半径不断增加,取向稍许增强;②外部作用力对流动的速度场影响明显,随着驱动力力增加,流体处在不同的运动区域(分子自由震荡区、耦合区、驱动力主导区),聚合物的扩散能力变强,分子链的回转半径变大,取向变强。③对于亲水性壁面,聚合物流动速度减小,并且壁面滑移现象可能消失,亲水性壁面不利于聚合物的扩散。④通道高度对聚合物分子形态有显著的影响,在分子链回转半径大于通道宽度时,分子链处于被挤压的状态。⑤纳米尺度中对于珠簧模型链的聚合物熔体,熔体温度改变不大时,对流动过程影响比较小。 壁面粗糙度对聚合物流动特性影响的研究结果表明:通道为粗糙表面时,聚合物速度场和密度分布场不再对称,边界滑移现象消失,聚合物扩散能力减弱,粗糙的通道表面限制了分子链的流动,使得边界处分子链会表现出特殊的流动现象:吸附现象,拖拽现象,回流现象。 超声波作用下光滑通道中聚合物泊肃叶流动的研究结果表明:超声波辅助作用使得聚合物流动速度增加,扩散能力增强,分子链取向更强,超声波作用促进了聚合物流动。