汽—液界面上纳米颗粒润湿密度泛函理论研究

论文摘要

本文应用密度泛函理论系统研究了纳米颗粒在流体汽-液平衡界面的润湿行为。在理论模型中,引入改进的基本度量理论（MFMT）描述硬球排斥作用,引入一阶平均球近似理论（FMSA）描述色散作用,主要工作包括以下几个部分:计算了非临界区LJ/s流体的汽-液-固相平衡,在此基础上引入重整化群理论（RG）,精确描述了流体的全局相行为。建立了弯曲表面的表面张力计算方法,并基于所得相平衡,计算了纳米颗粒在汽液平衡条件下的汽-液、汽-固和液-固界面表面张力,得到结果与分子模拟相吻合;根据表面张力,研究并建立了新的Tolman长度计算方法,正确预测了弯曲表面的表面张力变化趋势,分析了不同表面的Tolman长度特性;并进一步探索了超临界流体的表面张力与Tolman长度关系。在准确计算表面张力基础上,通过分析汽-液-固三相共存体系与汽-液、汽-固和液-固两相体系的结构差异,提出了线张力的计算模型;根据线张力,改进了润湿角的计算。研究还表明:在较小纳米颗粒、较强流体-颗粒作用和较高温度条件下,考虑线张力能量贡献对润湿角的预测精度有明显改善。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 润湿分类、机理
• 1.2.1 润湿分类
• 1.2.2 润湿机理
• 1.3 润湿研究的实验方法
• 1.3.1 浸入法
• 1.3.2 微滴法
• 1.3.3 座滴法
• 1.4 润湿研究的分子模拟方法
• 1.4.1 蒙特卡罗模拟法（Monte Carlo,简称MC）
• 1.4.2 分子动力学模拟法（Molecular Dynamics,简称MD）
• 1.5 润湿研究的统计热力学方法
• 1.5.1 积分方程（OZ）
• 1.5.2 重整化群（RG）
• 1.5.3 基本度量理论（MFMT）
• 1.5.4 密度泛函基础理论（DFT）
• 1.5.5 一阶平均球近似状态方程（FMSA）
• 1.6 本论文研究内容及创新点
• 1.6.1 研究目的
• 1.6.2 研究内容及思路
• 第二章 相平衡计算
• 2.1 引言
• 2.2 研究体系介绍
• 2.2.1 原始研究体系
• 2.2.2 LJ/s势能的Yukawa形式
• 2.3 LJ/s流体的FMSA理论
• 2.3.1 理想项Helmholtz自由能计算
• 2.3.2 超额排斥项Helmholtz自由能计算
• 2.3.3 超额色散项Helmholtz自由能计算
• 2.4 相平衡计算
• 2.4.1 非临界区汽-液相平衡计算
• 2.4.2 临界区汽-液相平衡RG理论计算
• 2.4.3 液固相平衡胞腔理论计算
• 2.5 计算结果及讨论
• 2.6 本章小结
• 第三章 流体界面张力的FMSA理论研究
• 3.1 引言
• 3.2 FMSA理论改进
• 3.2.1 外场形式推导
• 3.2.2 色散项球形表达式修正
• 3.3 球形表面张力密度泛函计算方法
• 3.3.1 平板表面张力密度泛函计算方法
• 3.3.2 球形表面张力密度泛函计算方法推导
• 3.4 计算结果及讨论
• 3.4.1 流体密度分布
• 3.4.2 表面张力
• 3.5 本章小结
• 第四章 Tolman长度计算
• 4.1 引言
• 4.2 Toman长度计算方法
• 4.3 计算结果及讨论
• 4.3.1 Tolman长度预测弯曲表面张力
• 4.3.2 Tolman长度与流体密度的关系
• 4.3.3 Tolman长度随温度的变化
• 4.4 本章小结
• 第五章 线张力及润湿角的FMSA理论研究
• 5.1 引言
• 5.2 球形表面线张力精确计算推导
• 5.2.1 杨氏方程的修正
• 5.2.2 三相共存表面能和两相独立表面能的计算
• 5.2.3 联立求解线张力
• 5.3 计算结果及结论
• 5.3.1 线张力对润湿角的修正效果
• 5.3.2 线张力值的特性
• 5.3.3 润湿角的特性
• 5.3.4 完全润湿及完全不润湿研究
• 5.4 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士学位期间发表的学术论文情况
• 作者阅历
• 导师简介
• 北京化工大学硕士研究生学位论文答辩委员会决议书