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关键词： 多层配位结构   生成函数   分子动力学   势函数   Ni-Al-Nb基高温合金  

摘要： 近年来,模拟计算在材料领域的应用越来越广泛,微观结构的分析也不断深入,这使得金属晶体结构体系的多层配位结构信息变得十分重要。但目前尚缺乏有效准确的多层晶体配位结构信息的计算方法。同时三元Ni-Al-Nb基高温合金析出相组成复杂,一些微观结构问题很难仅仅通过实验解释清楚。分子动力学是一种可行的模拟计算方法,但一直受困于势函数匮乏。因此进行了开发对应势函数的相关研究,对于揭示多元合金的微观结构具有重要科学意义。 本文从常见的金属晶体结构入手,采用构建生成函数的方法,分析并推导出了多层配位结构参数的计算方法。以此为基础研发了包含多层结构信息的Nb单质势函数,与Ni-Al二元势函数进一步整合出三元Ni-Al-Nb基高温合金的势函数。使用整合出来的势函数和分子动力学软件LAMMPS计算了三元Ni-Al-Nb基高温合金中部分强化相的微观性质。主要研究内容及获得的结论如下: 通过建立不定方程模型分别计算了简单立方结构、体心立方结构和面心立方结构中的多层配位半径和配位数。首先,将晶格常数作为计量单位,将多层配位结构问题转化为不定方程求解问题。给出了配位半径数列和配位数序列的性质。从不定方程模型出发,分别推导了三种立方结构晶体的多层配位半径序列和配位数序列的生成函数,并发现可以用Elliptic theta函数来表示这些生成函数。上述结果为多层配位半径和配位数的计算提供了有效的算法。 采用上述类似方法,对比研究了面心立方结构和密排六方结构中的多层配位半径和多层配位数。首先,将等径圆球密堆模型中的圆球半径取作计量单位,分别建立了计算面心立方结构和密排六方结构的多层配位半径和配位数的不定方程模型。并导出了对应的生成函数。利用生成函数,多层的配位半径和配位数能够被方便地算出。对面心立方结构和密排六方结构的计算结果进行了比较,包括它们的多层配位半径、配位数和平均配位数。最后,严格地证明了对于面心立方结构和密排六方结构,多层配位原子数序列（?）N k（?）都是无界的。对于面心立方结构,存在子序列满足Nkn=6,而对于密排六方结构,存在子序列满足Nkn=2。 给出了体心立方和面心立方结构的EAM/FS势函数和弹性常数之间的数学关系。由于未定义嵌入函数、对势函数和电子密度分布函数的具体函数形式,推导过程具有普适性。根据此推导结果,计算并验证了5种典型体心立方结构和3种典型面心立方结构的结合能。结合已经发展成熟的Ni-Al二元***形式势函数,将计算得到的纯Nb势函数开发为三元Ni-Al-Nb势函数,主要针对Ni-Al-Nb基高温合金中的主要强化相γ″相结构进行专门拟合,从中确定适用于分析Ni-Al-Nb基高温合金中强化相稳定性的三元势函数。 由分子动力学计算得到两种不同的γ/γ′界面结构界面生成能,界面生成能分别为-0.4309eV/nm2和-0.4303eV/nm2。由分子动力学计算得到三种不同的γ/γ″界面结构界面生成能,界面生成能分别为-0.0241eV/nm2、-0.0336eV/nm2和0.0116eV/nm2。计算并对比了理想条件下,在1200℃以内的球状和立方状γ′析出相在γ基体中长期时效过程中的总体系势能,说明了球状析出相是其理想状态下的最稳定形貌。计算并对比了理想条件下,立方状、球状、方片状和圆片状γ″相在γ基体中长期时效过程中的总体系势能,说明了片状析出相是理想状态下的最稳定形貌。通过EDS线扫面结果,发现了基体元素浓度场随邻近析出相的距离而产生了明显的变化,说明在镍基合金组织中γ′析出相形貌转变的过程中存在软碰撞现象。结合固态相变模型和EDS线扫描结果分析,明晰了浓度场变化对析出相生长的影响方式。相邻析出相连心线方向上的生长速率随析出相体积分数增大而降低,最终导致析出相转变为近立方状的形貌。由于软碰撞所形成的晶粒生长各向异性的变化是连续的,所以软碰撞所主导的转变形成的析出相形貌为棱角圆润的近立方状,而棱角尖锐的立方状析出相仍由错配度主导转变过程。

关键词： 淀粉基表面活性剂   表面张力   表面活性   乳化性能   洗涤性能  

摘要： 传统的表面活性剂来自于石油化工,而石油是不可再生能源,并且会产生很多环境问题,以天然廉价的淀粉为原料来制备表面活性剂成为新的趋势。本文以木薯淀粉为原料,通过湿法制备了十二烷基二甲基甜菜碱淀粉基表面活性剂(BS淀粉基表面活性剂)、十二烯基琥珀酸酐淀粉基表面活性剂(DDSA淀粉基表面活性剂)及十二烷基二甲基甜菜碱改性DDSA淀粉基表面活性剂(BS-DDSA淀粉基表面活性剂),并对三种淀粉基表面活性剂的制备工艺、性能及洗涤应用进行了研究。本论文的主要研究结论如下:***淀粉基表面活性剂的最佳制备工艺:BS-12添加量为40%、尿素添加量为3%、NaSi O添加量为1%、反应温度为85℃、反应时间为20 min。在此条件下BS淀粉基表面活性剂的表面张力为25.11 m N·m(固含量2%,25℃)、粘度为4958 cp(固含量5%,25℃)、乳化率为100%(固含量5%)。***淀粉基表面活性剂的最佳制备工艺:DDSA添加量为5%、p H为10、反应温度为45℃、反应时间为120 min。在此条件下DDSA淀粉基表面活性剂的表面张力为11.28 m N·m(固含量1%,25℃)、粘度为46.27 cp(固含量1%,25℃)、取代度(DS)为0.012、反应效率(RE)为42.22%。***-DDSA淀粉基表面活性剂的最佳制备工艺:BS-12添加量为30%、BS-DDSA催化剂量为5%、反应温度为90℃、反应时间为30 min。在此条件下BS-DDSA淀粉基表面活性剂的表面张力为23.58 m N·m(固含量1%,25℃)、粘度为1827 cp(固含量3%,25℃)、取代度(DS)为0.023。4.通过对三种淀粉基表面活性剂的性能测试,得到以下结果:DDSA淀粉基表面活性剂的表面活性最好,BS-DDSA淀粉基表面活性剂次之;DDSA淀粉基表面活性剂的乳化性最好,BS淀粉基表面活性剂次之;BS-DDSA淀粉基表面活性剂的耐盐性与耐酸碱性最好,BS淀粉基表面活性剂次之。BS淀粉基表面活性剂和BS-DDSA淀粉基表面活性剂与十二烷基硫酸钠(SDS)复配后有协同增益作用。BS淀粉基表面活性剂为胀塑性流体,DDSA淀粉基表面活性剂与BS-DDSA淀粉基表面活性剂为假塑性流体。相比于常用表面活性剂十二烷基苯磺酸钠(LAS)、SDS、十二烷基二甲基甜菜碱(BS-12),这三种淀粉基表面活性剂的表面活性、乳化性能更好,粘度更高。5.通过偏光显微镜、FT-IR、SEM、XRD对淀粉基表面活性剂及木薯淀粉进行表征,得到以下结果:和木薯淀粉相比,DDSA淀粉基表面活性剂的XRD、偏光十字特征没有明显变化,BS淀粉基表面活性剂与BS-DDSA淀粉基表面活性剂的晶型由A型变为V型、偏光十字消失;SEM表明淀粉颗粒表面形貌产生一定的破坏;FT-IR表明淀粉基表面活性剂引入了新的基团。6.淀粉基洗衣液的制备及性能研究:当洗衣液总量为100 g时,LAS、BS淀粉基表面活性剂最佳添加量分别为1.1、4.4 g,此时的去污系数(S)为1.81;LAS、DDSA淀粉基表面活性剂最佳添加量分别为2.2、3.3 g,此时的S为1.71;LAS、BS-DDSA淀粉基表面活性剂最佳添加量分别为2.2、3.3 g,此时的S为1.74。

关键词： 张家坪子金矿床   流体包裹体   成矿流体   造山型  

摘要： 张家坪子金矿是丹巴-冕宁金矿带上的一个超大型金矿床。本论文在详实的野外地质调查基础之上,对样品进行系统采集,然后在室内进行岩相学观察,再进行电子探针及流体包裹体研究,结合前人研究成果资料进一步对张家坪子金矿床的成矿流体特征、演化及矿床成因进行了探讨。 研究区金矿体的赋矿岩石是中三叠统的蚀变交代白云岩;矿体以似层状、脉状和透镜状呈北北东向展布;矿石矿物主要为黄铁矿,其次为黝铜矿等;矿石结构主要为不等粒自形-半自形粒状结构、它形粒状结构,其次为交代残余结构等,构造主要为浸染状构造、网脉状构造和团块构造;围岩蚀变主要为绿泥石化、碳酸盐化、黄铁矿化、硅化、绢云母化。流体包裹体类型主要分为4类,分别为气液水包裹体、CO2-H2O流体包裹体、纯H2O体系包裹体、纯CO2液相包裹体,主要以前两类包裹体为主。 激光拉曼光谱分析显示流体包裹体的液相及气相成分均主要为CO2,成矿流体总体上属于富CO2的CO2-Na Cl-H2O体系。显微测温结果显示,矿床中阶段成矿温度集中分布在220℃～300℃,成矿流体盐度小于10%,流体密度为0.79g/cm3～1.01 g/cm3,成矿压力为1.08 MPa～42.46 Mpa,成矿深度为0.11 km～5.16km。电子探针分析结果综合前人硫同位素研究结果显示硫的来源具幔源特征;综合流体包裹体研究及前人C-H-O同位素研究结果显示,成矿流体来源以变质流体为主。 通过上述分析测试及前人研究成果综合分析,张家坪子金矿床成矿流体具中温、低盐度、中低密度、富CO2的特征,类似于造山型金矿床的成矿流体特征。对比研究丹巴-冕宁金矿带上其余矿床的成矿年龄及区域构造作用发现,张家坪子金矿床为喜山期晚碰撞期-后碰撞期造山作用的产物,并且其矿床地质特征、成矿流体特征和造山型金矿床相似,是在丹巴-冕宁金矿带由碰撞向伸展转变环境下形成的、由变质热液控矿的造山型金矿。

关键词： 氟表面活性剂   表面张力   氧乙烯基   磷酸酯   磺酸酯  

摘要： 含氟表面活性剂（Fluorinated Surfactants）是一类疏水链段含有氟原子的特殊表面活性剂,相比于普通碳氢烷基链的表面活性剂,其具有更优秀的表面活性、高化学稳定性与热稳定性,氟原子很强的电负性与适当的原子半径起到对碳链的屏蔽作用,使得表面活性剂的化学稳定性更好,可以应用于不同酸碱盐浓度与高温的严苛环境中。在近些年有着很大程度的发展。非离子氟表面活性剂为在溶液中不发生解离或电离的表面活性剂,相比于离子型氟表面活性剂,其表面活性要稍弱,受溶液盐浓度、温度和酸碱性的影响较大,也无法像离子型表面活性剂在解离后表面活性基团由于静电作用从而均匀分散。 因此本文首先合成出全氟聚醚磷酸酯阴离子氟表面活性剂,其结构类似于天然磷脂分子结构,生物相容性很好。详细探究其合成过程中醇解磷酸化实验与水解实验的工艺条件,选择不同磷酸化试剂和加料工艺得到最佳方案,解决了磷酸化试剂易吸水潮解造成的加料问题,并首创出简单的含氟磷酸酯表面活性剂的纯化方法,主要原理是无机磷酸盐在特定pH值范围时在某些溶剂的溶解性质不同,达到分离出产物中磷酸杂质的效果,经过热重与表面张力测试,纯化后的产物热稳定性有提高,产物中活性成分增加表面活性有了提高,均说明纯化过程是有效且必要的。之后以全氟己基乙醇聚氧乙烯醚与磷酸化试剂的用量比例、不同氧乙烯数的全氟原料为变量,实验得到的最佳产物的原料比例为3.4:1,全氟聚醚的聚氧乙烷链数为5,其产物的磷酸单双酯比例为5.2:1,其水溶液临界胶束浓度CMC为0.0011 mol/L,最低表面张力γcmc为17.13 mN/m。 含氟磷酸酯表面活性剂的表面活性与润湿效果虽然十分优异,但其在环境中分解后会产生氟化物与磷酸盐物质,磷酸盐会造成水体的富营养化对环境有一定的影响,同时其热稳定性性能稍差。因此在上一章的基础上,将磺酸酯基团引入全氟己基聚氧乙烯醚分子结构中,含氟磺酸酯相比含氟磷酸酯表面活性剂有着更高的表面活性和更好的热稳定性。实验分别选择氯乙基磺酸钠法和羟乙基磺酸钠法两种不同的磺酸酯合成方法,比较了不同工艺条件、反应物用量和不同氧乙烯的全氟原料对产物性能的影响,发现使用羟乙基磺酸钠法得到的产率较高,原料比例为1:1.2,全氟聚醚的聚氧乙烷链数为5时的产物表面活性最优,其水溶液的临界胶束浓度CMC为9.9×10-4 mol/L,热稳定性以及在聚四氟乙烯板上的润湿性能都要好于磷酸酯产物。 实验最后得到结论:不同反应物比例的含氟聚醚磷酸酯产物中磷酸单双酯的比例不同,当产物中磷酸单酯含量较高时产物的表面活性要更好一些,含氟聚醚的聚氧乙烷链段长度会影响分子的亲水性,过长或过短都不利于形成紧密排列的胶束聚集体结构。本文对不同系列的阴离子氟表面活性剂的合成与性能进行探究,对其实际生产及应用有着一定的参考价值与指导作用。

关键词： 空间核反应堆   纳米流体   表面张力   比热特性   蒸发速率  

摘要： 空间新能源是人类进行空间探索的必要保障,空间核反应堆因其不受环境影响、寿命长、安全可靠等特点,将成为空间探测的必然选择,在空间堆中,热电转换系统是将反应堆内产生的裂变热能转换成电能,是空间堆能源系统的关键环节,为避免堆芯熔化等事故问题,则需要对传热系统进行优化设计,而换热系统效率及换热设备紧凑高效离不开换热工质优质的传热性能。纳米流体作为一种新型冷却剂工质,是在传统工质中添加一定比例的纳米级非金属氧化物或金属粒子,能够有效增加换热设备在高热工况下的传热性能。本文主要通过对水基纳米流体基础物性进行实验研究,而水基纳米流体相对于基液具有传导率高,表面张力大等优势,若将纳米流体应用于空间核反应堆冷却剂工质,设备换热能力或将增强。因此,有必要对水基纳米流体的基础物性展开研究,重点关注影响其界面特性、相互作用以及伴随的多相流传热传质的参数特性,如表面张力、比热容及蒸发速率等静态和动态特性等。本文通过“两步制取法”制备了不同体积分数的氧化铝纳米流体,通过观察实验,探究了超声和静置时间、体积分数对于水基氧化铝纳米流体稳定性的影响。随着静置时间的累积,纳米流体的稳定性下降;纳米颗粒所占体积分数越大,纳米流体越不稳定。配置好的纳米流体,将在后续实验中使用。采用铂金板法,通过搭建表面张力试验台架研究了不同纳米流体表面张力变化规律:表面张力随着温度的升高,会有很明显的下降趋势,与温度呈现负的线性相关;在一定温度下,加入固态纳米颗粒会增加纳米流体的表面张力,当超过一定温度和浓度的临界值时,加入纳米颗粒会降低纳米流体的表面张力。采用温升计时法,通过搭建比热容试验台架,针对不同温度、不同体积分数的纳米流体进行测量实验,结果表明:当纳米颗粒体积分数增加或纳米流体试液的温度升高时,纳米流体的比热容都会随之增加。通过搭建蒸发速率试验台架,运用热力动态质量法对其进行测量研究。获取了纳米流体在25～275℃的蒸发速率值,并得出随蒸发速率会随着加热温度的升高而变大,同时体积分数大的纳米流体蒸发速率会更高。

关键词： 离龙类   鳞片特征   流体力学分析   推进效率   运动成本  

摘要： 爬行动物自晚古生代晚期重返水域以来便占据了水生生态系统的重要生态位。离龙是一类体型及形态分异度较高的次生水生爬行动物,占据了侏罗纪到中新世劳亚大陆的淡水水域。此前对离龙类的研究主要针对于骨骼学、系统发育、生殖方式以及程度较低的鳞片特征分析。对于离龙类的游泳模式以及水生适应能力的研究甚少,且缺乏针对水动力学特征的定量化研究。本文通过对来自中国辽宁省西部下白垩统的凌源潜龙及白台沟潜龙新标本的观察和测量,结合对当前已发表的离龙类成年个体数据的收集和重新测量,基于形态功能学对离龙类的运动模式进行了推测,详细研究并对比了离龙类的鳞片模式,在已获取的软组织信息的基础上对离龙类进行了复原建模,使用仿真模拟软件对离龙在湍流流场中的动力学特性进行了模拟,采集了相关阻力值(系数),讨论了影响离龙个体水动力效应的多种因素。 离龙类内部分化不仅体现在生态-形态类型上,还包括肢骨比例和鳞片模式特征。不同颈部形态的离龙可能采取不同的游泳模式。基于形态功能分析,本文首次对离龙类游泳时的推进模式进行了推断。长颈型离龙以其粗重的背肋骨及加高形态的尾部被分配效率较高的亚鳟行式游泳模式,而以鳄龙和满洲鳄为代表的短颈型离龙类因其整体形态类似现生的鳄目动物而被分配效率较低的游泳模式。游泳动物所采用的的推进模式对运动时的能耗大小有着显著影响。流体力学仿真结果分析表明亚鳟行式的长颈型离龙类在稳定匀速游泳过程中的机械运动成本明显低于同等长度和游泳速度条件下的鳗行式的短颈型离龙类。 此外,在一件具有保存较好的皮肤软组织特征的凌源潜龙新标本中首次识别了常见于蜥脚类恐龙中的“莲座”型鳞片模式,暗示了与满洲鳄所具有的的类似鳞片排列模式的同源性。潜龙尾部的宽阔皮肤区域和明显较高的尾部神经棘指示其尾部可能侧面较高。流体力学模拟分析表明侧向加高的尾部具有一定的水动力效应,可以较好地降低总阻力系数。基于对鳞片特征的详细研究,针对不同类型的特征型鳞片的水动力学特征进行了模拟讨论,证实了类似鳄类尾鳞的锯齿状鳞片的水动力学优化效应。 通过对不同形态离龙类动物的建模复原、模拟以及水动力学特征比较分析,验证了推进效率、整体体型以及个体发育阶段或成熟度对于离龙个体的阻力表现及能量需求的不同影响。

关键词： 萤石   成分标型   稀土   成因   白云鄂博  

摘要： 白云鄂博矿床是世界级超大型复杂稀土-铌-铁多金属矿床,被认为是全球最大的稀土矿床。由于其中大量萤石伴生产出,也是我国大型的萤石矿床之一。该矿床位于华北克拉通的北缘,区内地层主要是白云鄂博群,一般划分为18个不同的岩段,分别为H1至H18,其中萤石主要赋存于H8赋矿白云岩之中。在野外调查的基础上,共采集主矿样品630件。针对白云鄂博矿床主矿的萤石,采用光学显微镜和扫描电镜进行岩相学研究,特别采用扫描电镜能谱、电子探针、激光剥蚀等离子质谱进行了萤石成分标型研究。此外,还利用冷热台显微镜进行萤石的流体包裹体研究。综合上述研究,取得如下主要成果和认识: 1、在白云鄂博稀土-铌-铁矿床的主矿,萤石主要分布在条带状和块状矿石中,其他类型矿石中仅含有少量萤石。大量显微观察结果认为,萤石和稀土矿物有密切共生联系,即当萤石的含量较高时,稀土矿物的含量也相对较高。其中,氟碳铈矿与萤石的相关关系更加密切。 2、萤石成分标型研究结果表明,主矿的萤石和稀土矿物中稀土含量呈正相关关系。特别是萤石中稀土含量高时,氟碳铈矿中的稀土含量明显较高。主矿萤石的氟和稀土含量与氟碳铈矿的稀土含量空间分布具有显著一致性。依据萤石Y/Ho-La/Ho和Tb/Ca-Tb/La判别图,认为萤石为热液成因类型。稀土元素配分特征表明,萤石与稀土矿物属同源性成矿流体的结晶产物,萤石稀土元素特征值δCe为正异常,表明成矿流体为还原性流体。 3、冷热台显微镜观察结果表明,萤石中的流体包裹体主要是气液两相包裹体,其中以富液相包裹体为主。测温结果显示其均一温度分布于两个区间,分别为110℃～170℃和230℃～310℃,盐度主要在3.87wt%～16.53wt%范围内,流体密度分布在0.78g/cm3～1.01g/cm3之间,计算的成矿流体压力在10.532×10～6Pa～31.584×10～6Pa之间,说明萤石成矿流体属于中低温、低密度、低盐度的成矿流体,但是成矿温度具有两段性,对照岩相学研究结果认为萤石具有两次成矿特点。 上述成果为白云鄂博矿床萤石和稀土深部找矿以及这些资源的高质化综合利用提供了重要依据。

关键词： 特种表面活性剂   非水相泡沫   溶解性   液相粘度   表面张力   发泡性能  

摘要： 非水相泡沫在日用化妆品、食品加工、石油化工和多孔功能材料等领域均有着广泛的应用。然而常规表面活性剂在非水相溶剂中却难以起泡，因此，本文探究了特种表面活性剂对非水相溶剂发泡性能的影响，主要选取了八种特种表面活性剂和不同极性的溶剂水、甲醇、甲酰胺、乙醇、丙酮、乙酸乙酯、乙酸苄酯、甲苯、环己烷和癸烷等。全文从特种表面活性剂与非水相溶剂形成的溶液性能出发，分析了非水相表面活性剂溶液的溶解性、液相粘度及表面张力对发泡性能的影响，研究了特种表面活性剂在不同极性溶剂中的发泡性能，通过观察形成非水相泡沫的发泡体积、排液半衰期和泡沫的微观结构，对特种表面活性剂稳定非水相泡沫进行了系统的研究，实验得出结论如下:　　（1）分析了溶液体系的溶解性能和表面活性对泡沫的形成和稳定性的影响。溶液体系的液相粘度总体呈现出增大的趋势，且其在甲酰胺中的液相粘度范围为3.845～3.958 mPa·s,这表明特种表面活性剂在不同极性的溶剂中的溶解性能较好。而溶液体系的表面张力随着特种表面活性剂浓度的增大而呈现出先下降后上升的趋势，其在非水相溶剂甲酰胺中的表面张力值相较于其它溶剂为最大，范围为43.326 mN/m～49.026 mN/m。　　（2）分析了发泡剂的发泡性能并对其进行优选。选取了乙氧基硬脂醇C18E9、氟碳表面活性剂FC-170C、聚二甲基硅氧烷PDMS、乙撑基双十八烷基二甲基溴化铵DDAB、月桂酰基谷氨酸钠LGS、椰子油脂肪酸单乙醇酰胺CMEA、茶皂素TS和椰油酰胺丙基羟磺基甜菜碱CHSB体系。并对搅拌速率和搅拌时间进行了优选，当搅拌速率和搅拌时间分别控制在8000 r/min和90 s时，溶液体系的发泡性能达到最佳。　　（3）揭示了特种表面活性剂在不同极性的非水相溶剂中发泡性能的影响规律。溶液体系在强极性溶剂中的发泡性能明显高于在中极性和弱极性溶剂中的发泡性能，且溶液体系从弱极性溶剂到强极性溶剂的泡沫含气率和排液半衰期均存在一个范围。当特种表面活性剂的浓度为0.5 wt％或0.7 wt％时，溶液体系的发泡性能和泡沫稳定性达到最佳。C18E9、LGS和TS在非水相溶剂甲酰胺中形成的气泡较为分散，气泡大小不均一，且形成的泡沫微观形貌杂乱无章，而FC-170C、PDMS、DDAB、CMEA和CHSB在甲酰胺中形成的泡沫排列较为紧密，且气泡大小较为均一，此时溶液体系表现出较强的稳定性。

关键词： 温度   正己烷液滴   蒸发过程   表面张力   三相线  

摘要： 液滴是液体在自然界中的一种最常见的存在方式,因此诸多领域的科学研究和技术开发都涉及到该现象,如内燃机燃烧、换热器相变强化换热等,掌握液滴的几何演变规律、热质交换特性等具有重要的应用价值。目前国内研究学者的主要研究方向集中在于固体表面液滴、气体中的液滴蒸发的相关机理,而对于柔性物质表面的液滴和液体表面的液滴的研究相对不足。本文针对3种不同的液滴大小(1μl、2μl、3μl),3个不同的基液温度(10℃、30℃、50℃),使用红外热像仪拍摄了在液体表面液滴蒸发的全过程,并得到了其表面温度分布特征与内部流型演变过程;通过使用3D视频显微镜拍摄获得液体表面液滴蒸发的实际成像,并分析了其几何形貌的变化规律与三相线的变化过程;通过使用三维表面测量仪拍摄获得液体表面液滴蒸发时小液滴三相线上的微观图像,分析了小液滴三相线的演化过程以及三相接触线发生收缩、弯曲和破裂的机理,最终得到了如下结论:(1)液体表面正己烷液滴的表面温度可以根据去离子水的温度分为两部分或三部分。去离子水的流动性和不均匀的温度分布会影响己烷透镜的温度分布和内部流动。空气、水和正己烷之间的相互作用使正己烷液滴的表面温度分布和内部流动具有特殊性。去离子水温度的升高逐渐改变了正己烷液滴内的垂直温度梯度和径向温度梯度,并改变了正己烷液滴内浮力对流和热毛细流动的重要性,它们的竞争决定了正己烷液滴内的流动模式。(2)在周向表面张力梯度和径向“表面张力屏障”的共同作用下,强蒸发边缘的正己烷液滴产生周向流动,然后在边缘形成低温区,并在中心低温区和强蒸发边缘之间形成“低温通道”。(3)我们发现正己烷液滴直径的变化可以分为三个阶段:1)扩散阶段;2)收缩阶段;3)瞬间消失阶段。正己烷液滴的初始直径和最大直径开始随着去离子水温度的升高而增大,达到一定峰值后随着碱溶液的温度的升高逐渐减小。当正己烷液滴加入到基础溶液中时,整个溶液的蒸发速率增加,当正己烷液滴蒸发时,溶液恢复到基础溶液的原始蒸发速率。

关键词： 电弧增材制造   表面形貌   搭接模型   轴对称液滴形状分析法   表面张力  

摘要： 电弧增材制造是一种以焊接电弧作为热源,金属丝材作为原料的送丝增材制造技术,由于具有更高的成型效率和更低的成本等优点而显示出更好的应用前景,已被广泛应用于航空航天、国防、汽车、生物、医疗器械等领域。通常,电弧增材制造的主要步骤是建立三维数字化实体数据模型,选择合适的角度和步长输出STL格式模型,通过切片程序沿着提前设定好的增材制造方向进行切片,并生成与之相关的沉积路径,确定与沉积路径相关的焊接工艺参数和对工件进行后处理加工。在切片和层间堆积的路径规划前,需要掌握不同的焊接参数下焊道截面形貌。因此,建立合理的焊道轮廓模型来准确地描述实际焊道轮廓形貌,对于提高成型零件的表面质量和精度有着重要的作用。通常,电弧增材制造中的沉积过程是多物理场强耦合作用,而熔池作为重要载体包含着重要的过程特征信息,并且与工件的成型质量和精度有密切联系,仅用常见的数学函数曲线(抛物线函数、余弦函数,圆弧函数)进行拟合实际的焊缝轮廓难以准确把握焊接过程的本质。而表面张力是焊接过程中熔池流动行为的关键影响因素,决定了焊缝形貌轮廓的最终成型效果,因此从表面张力这个角度出发建立焊缝轮廓模型非常有必要。本文首先提出在电弧增材制造熔敷过程中的一种基于轴对称液滴形状分析法(Axisymmetric Drop Shape Analysis,ADSA)单层单道焊缝轮廓模型,并设计正交试验探究焊接工艺参数对表面张力的影响规律;然后基于简单的物理假设,依据多道搭接时焊缝几何尺寸之间的数量关系,由ADSA单层单道焊缝轮廓推导出递归序列从而构建单层多道递归焊缝轮廓模型,重点分析了模型的属性,并进行了试验验证。最后基于焊缝轮廓空间坐标变换,提出一种基于改进的ADSA的递归焊缝轮廓搭接模型以改善传统递模型在山谷区存在的较大误差的问题,并重点分析和比较了改进前后两种模型属性的区别与联系,最后通过试验验证了模型的准确性和适用性。本文完成的主要工作包括:(1)基于轴对称液滴形状分析法,建立一种电弧增材制造单层单道焊缝轮廓模型,并于现有的抛物线函数,圆弧函数,三角函数等传统的焊缝轮廓模型进行比较,通过试验验证结果表明ADSA焊缝轮廓模型能够更加准确地描述实际焊道轮廓。然后设计正交试验,通过试验结果分析得到了焊接工艺参数对ADSA焊缝轮廓模型中的形状因子β和原点曲率半径R之间的影响规律,为揭示焊接工艺参数对表面张力的影响规律提供了理论依据,同时也有利于提高电弧增材制造产品的成型精度。(2)基于传统的递归轮廓模型,建立一种基于ADSA的单层多道递归焊缝轮廓模型。即由已知的单层单道ADSA模型轮廓曲线,依据多道搭接过程中焊缝尺寸之间的几何关系,推导出递归序列以构建整体的焊道轮廓曲线,探究模型的相对高度,相对平整度,润湿角以及收敛性随搭接率OR的变化规律,并与传统的抛物线轮廓递归模型进行比较,最后通过试验分析和验证了模型的精度。该研究成果为预测焊缝形貌轮廓提供了新的思路和方法。(3)基于焊缝轮廓空间坐标变换,提出一种基于改进的ADSA的递归焊缝轮廓搭接模型以改善传统递模型在山谷区存在的较大误差的问题。由ADSA单层单道形貌轮廓通过轮廓坐标变换推导出递归序列以构建改进的ADSA焊缝轮廓模型,并重点分析和比较了改进前后两种模型属性的区别与联系,最后通过试验验证了模型的准确性和适用性。该研究揭示了多道搭接沉积层形貌的演变规律并提高了成型质量和精度。