汽-液界面上纳米颗粒润湿密度泛函理论分析

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1、北京化工大学硕士学位论文刁p鸬厂盯甲小)，‰(r)口艿r下角标三yBC￡rJ口盯reprefb，bulk上角标iddishs木ooUu／sXⅣ堆积因子，=丢∥=昙彬数密度=Ⅳ／矿，llm。=pa3组分f的化学势，J／mol界面张力，N／m硬球直径，nm外场，J／mol润湿角T01man长度线张力液相汽相Boltzmann临界超额组分f色散项排斥项参考项主体相理想项色散项硬球项对比量无限稀释Lennard—。JonesLennard—‘Jones／spline北京化工大学位论文原创性声明本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导

2、下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均己在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。作者签名：盟日期：∥罗阜∥／a多闰关于论文使用授权的说明学位论文作者完全了解北京化工大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属北京化工大学。学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内容，可以允许采用

3、影印、缩印或其它复制手段保存、汇编学位论文。保密论文注释：本学位论文属于保密范围，在三年解密后适用本授权书。非保密论文注释：本学位论文不属于保密范围，适用本授权书。作者签名：塑日期：∥7牟‘瓜≯臼导师签名：期：≯，，穹肇¨日pn第一章绪论弟一早珀1：匕1．1引言表面润湿现象在自然界普遍存在，清晨起来见到的露珠，池塘荷叶上滚落的水珠，植物用于运输水分的毛细水柱，无不体现着润湿原理的广泛应用。我国历史义人对此也有所记载，西汉《淮南子·说林》一篇中就有“山云蒸，柱础润”的说法⋯。而近代关于润湿的定量科学研究始于T．Young和P．S．Lap

4、lace，二人先后对表面张力和毛细现象进行了研究。1805年T．Young引进了润湿角的概念，并提出著名的润湿方程。表面的润湿性是现今物理学和生物学领域深入研究的重要课题。润湿性是表面的许多重要特征之一，也是最为常见的一类界面现象，它不仅直接影响自然界中动、植物的种种生命活动，而且在人类的日常生活与工农业生产中也起着重要的作用。润湿性町以用表面上水的接触角来衡量，通常将接触角小于90。时的固体表面称亲水表面(hydroPhilicSurfaee)，大于90。“称疏水表面(hydroPhobicsuifaee)。最近几年纳米技术的迅速发

5、展使得表面张力所具有的特性在这种高比表面积的材料中有着及其重要的地位。纳米级分散，纳米表面修饰等纳米特性都跟表面张力、表面润湿息息相关。密度泛函理论在非均匀流体研究中已得到广泛应用，Evans、TelodaGama【2'3J和Ta阳zona【4，5】等人做了大量卓有成效的工作。自八十年代以来，密度泛函理论被拓展应用于研究各种界面性质。该理论的基本思路是：构筑非均匀体系能量的泛函数，对能量进行最小化以获取相应的Euler-Lagrange方程，迭代求解Euler-Lagrange方程组，确定非均匀体系平衡时的密度分布。密度泛函理论适合于

6、非均匀体系的相平衡浓度分布计算，目前已成为研究材料表面润湿、多孔材料吸附、微孔内相分离、固体的表面吸附以及液体表面性质的重要方法。1．2润湿分类、机理1．2．1润湿分类固体与液体接触，当系统的吉布斯自由能降低时可实现润湿。按润湿过程中是否发生化学反应可分为两种形式：北京化工大学硕士学位论文1．2．1．1非反应性润湿(物理润湿)物理润湿的润湿性一般都比较差，但进行得很快。其润湿过程的驱动力主要为范德华力和色散力等物理作用力，润湿程度随温度变化较小。1-2．1．2反应性润湿(化学润湿)反应润湿是指在润湿过程中发生了化学反应，有新相在界面牛

7、成。润湿程度一般随时问的推移而变好，但达到平衡需要较长时间，这是因为界面处的反应产物逐渐达到饱和，原子扩散越来越困难【61。1．2．2润湿机理由于界面存在一定的反应或物质迁移而使润湿过程变得尤为复杂，目前对润湿机理的研究一直没能建立理想的模型n学术界一直对此存在较大分歧。其主要模型理论有：界面反应自由能润湿理论，界面反应产物润湿理论及体积变化准则。界面反应自由能润湿理论是目前国内外应用最多的一种经典理论。从热力学角度分析，系统内自发进行的反应必然导致整个体系自由能的降低。该理论认为剧烈的界面反应是获得良好润湿效果的必要条件，界面反应越

8、剧烈越好【81。与此相反，Eustathopoulos191等对活性金属／陶瓷体系的润湿性进行了深入研究后提出界面反应产物理论：活性金属／陶瓷润湿的关键因素不是界面化学反应本身，而是界面反应产物的性质，最终的润湿是液态金