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TiO₂表面纳结构对其疏水性能影响的分子动力学模拟研究

作　者: 邢程
导　师: 陈明君
学　校: 哈尔滨工业大学
专　业: 机械制造及其自动化
关键词: 疏水性能纳结构金红石分子动力学接触角
分类号: O614.411
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

润湿性是固体表面的重要性质之一,通常由液体在固体表面三相平衡时的接触角来表征。受天然疏水材料的启发,人工疏水材料在自洁净、抗电流传导、耐腐蚀、低阻输运、导向流动、防污染等领域都具有广泛的应用前景和较高的研究价值,同时TiO₂表面疏水改性对医用植入材料意义重大,所以本文应用分子动力学方法对经过表面改性的金红石（110）晶面疏水性能进行模拟研究,作为后期以超精密加工为主实验研究的理论基础。固体材料表面疏水性能主要由材料表面的化学组成和微观几何结构共同决定。本文主要通过构建不同的表面纳结构形貌,如光栅阵列结构和方柱阵列结构,重点从微观几何结构形式、几何结构尺寸参数、晶向、表面裸露原子分布等方面分析以上各种因素对既定金红石晶面疏水性能的影响,并通过分析水分子的微观聚集状态来与相对应的宏观润湿状态进行比较。在模拟的过程中,依据实际分析的适用性,分别从液滴向（001）晶面或（1—10）晶面投影轮廓所测接触角、液滴在近TiO₂表面形成的氢键数量、液滴在近TiO₂表面处的水分子平均成氢键数量、液滴向（001）晶面或（1—10）晶面投影轮廓在近基底表面覆盖直径等可以表征表面疏水性能的物理量来分析其强弱对表面纳结构的变化规律。通过对模拟结果的分析,发现晶向对表面纳结构的疏水性能具有重要影响,如当沿[001]晶向存在槽结构,相较完美表面,将增强表面的疏水性能,而当沿[1—10]晶向存在槽结构,则将削弱表面的疏水性能;槽宽、槽沿宽、槽深等几何因素的变化,针对不同晶面情况,导致表面疏水性能或单调变化,或振荡变化;表面高度未饱和配位原子面密度越高,则表面疏水性能越差;方柱阵列纳结构对表面疏水性能的影响,因结构复杂性导致的潜在润湿状态转变和沿[1—10]晶向沟槽削弱作用、沿[001]晶向沟槽增强作用的叠加等等,呈现出在完美表面值附近更剧烈的振荡变化。

全文目录

摘要 4-5Abstract 5-10第1章绪论 10-20 1.1 课题背景及研究的目的和意义 10-12 1.1.1 超疏水材料 10-11 1.1.2 钛合金与TiO_2 表面疏水改性的应用前景 11-12 1.2 国内外研究现状及分析 12-18 1.2.1 润湿现象的实验研究 12-15 1.2.2 应用计算机模拟研究润湿现象 15-16 1.2.3 TiO_2 表面润湿特性的模拟研究 16-18 1.3 本课题的主要研究内容 18-20第2章 TiO_2表面润湿性相关理论和模拟方法 20-39 2.1 引言 20 2.2 表面润湿性相关理论 20-26 2.2.1 光滑表面润湿理论 20-21 2.2.2 粗糙表面润湿理论 21-25 2.2.3 微观接触角与宏观接触角相关理论 25-26 2.3 TiO_2 表面疏水性能研究对象 26-27 2.3.1 金红石的结构特点与性质 26 2.3.2 依据晶体结构的表面纳结构构建 26-27 2.4 分子模拟技术 27-30 2.5 TiO_2 表面疏水性能分子动力学模拟基础 30-36 2.5.1 模拟势函数选择 30-31 2.5.2 模拟系统边界条件确定 31-32 2.5.3 模拟系统初始化 32 2.5.4 模拟积分时间步长设定 32-33 2.5.5 仿真物理模型与计算软件 33-34 2.5.6 微观接触角测量方法 34-36 2.5.7 模拟平衡条件判断 36 2.6 金红石（110）完美表面疏水性能分子动力学模拟 36-37 2.7 本章小结 37-39第3章光栅阵列表面纳结构疏水性能评价 39-65 3.1 引言 39-42 3.1.1 光栅阵列结构表面原子种类描述 39 3.1.2 氢键对于表面疏水性能研究的意义 39-41 3.1.3 光栅阵列结构模拟组别构键 41-42 3.2 槽宽对光栅阵列表面结构疏水性能的影响 42-48 3.2.1 M1 组别模拟结果讨论 42-45 3.2.2 M6 组别模拟结果讨论 45-47 3.2.3 M7 组别模拟结果讨论 47-48 3.3 槽沿宽对光栅阵列表面结构疏水性能的影响 48-54 3.3.1 M2 组别模拟结果讨论 49-50 3.3.2 M3 组别模拟结果讨论 50-52 3.3.3 M8 组别模拟结果讨论 52-54 3.4 槽深对光栅阵列表面结构疏水性能的影响 54-59 3.4.1 M4 组别模拟结果讨论 54-55 3.4.2 M5 组别模拟结果讨论 55-56 3.4.3 M9 组别模拟结果讨论 56-58 3.4.4 M10 组别模拟结果讨论 58-59 3.5 晶向对光栅阵列表面结构疏水性能的影响 59-60 3.6 表面裸露原子对光栅阵列表面结构疏水性能的影响 60-63 3.7 本章小结 63-65第4章方柱阵列表面纳结构疏水性能评价 65-75 4.1 引言 65 4.2 沿[110]晶向槽宽对方柱阵列表面结构疏水性能的影响 65-70 4.2.1 M11 组别模拟结果讨论 65-67 4.2.2 M12 组别模拟结果讨论 67-70 4.3 沿[001]晶向槽宽对方柱阵列表面结构疏水性能的影响 70-74 4.3.1 M13 组别模拟结果讨论 70-72 4.3.2 M14 组别模拟结果讨论 72-74 4.4 本章小结 74-75结论 75-77参考文献 77-82致谢 82

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