表面潤濕性及溫度梯度對液滴蠕爬的影響

唐秀濤，戴慶文，王靜秋，黃巍，王曉雷

(南京航空航天大學(xué) 機電學(xué)院，江蘇 南京 210016)

0 引言

流體在接觸表面不受外力作用而不斷擴展的現(xiàn)象稱為蠕爬[1]。在摩擦系統(tǒng)中，每當(dāng)兩個表面相互滑動時，由于摩擦產(chǎn)生的熱量就會在摩擦區(qū)域產(chǎn)生熱梯度，可能導(dǎo)致液體潤滑劑從高溫區(qū)域運動到低溫區(qū)域。隨著維納電子技術(shù)的迅速發(fā)展，微納電子器件朝著高效、微型、高集成的方向發(fā)展[2]，但也由此帶來了發(fā)熱量大、局部溫度高的問題。因此如何通過流體輸運的方式進行散熱成為維納電子技術(shù)進步的關(guān)鍵。上述均是由溫度梯度導(dǎo)致潤滑油發(fā)生蠕爬行為，可見對潤滑油蠕爬運動機理的深入研究，對于控制摩擦副中潤滑油的損失，降低磨損至關(guān)重要。表面性質(zhì)和固-液界面的相互作用可以影響流體的輸運[3]。已有研究多數(shù)集中于表面潤濕性對液滴接觸角的影響或溫度梯度對液滴蠕爬的影響，而關(guān)于潤濕性和溫度梯度兩者耦合作用對液滴蠕爬影響的研究卻很少。因此，本文將采用分子動力學(xué)模擬的方法，探究表面的潤濕性和溫度梯度對水滴蠕爬的影響。

1 模擬方法

1.1 模擬體系

模擬體系包括石墨烯表面和納米水滴，如圖1所示。石墨烯表面的尺寸為30 nm×10 nm，由11 644個碳原子組成。水滴由2000個水分子組成，直徑大小約5 nm。液滴放置在體系的左端,其質(zhì)心距石墨烯左側(cè)邊緣6 nm，與石墨烯表面之間的垂直距離為3.3 nm。

圖1 初始模型

1.2 勢能函數(shù)

水分子選取SPC/E[4]剛體勢能模型。總勢能由短程

Lennard-Jones勢能和長程靜電勢能兩部分組成，如式(1)[5]所示。

(1)

其中：σo表示氧原子之間L-J勢能的粘附直徑；εo表示氧原子之間L-J勢能的勢阱深度。對于水分子，σo和εo取值分別為3.166 6?和0.006 734 ev。

石墨烯中的碳原子之間的相互作用采用Airebo[6]勢函數(shù)。石墨烯中碳原子和水分子中氧原子之間的相互作用采取Lennard-Jones勢能函數(shù)，其形式如式(2)所示。

(2)

1.3 模擬細節(jié)

本文采用LA mmPS[7]軟件進行模擬。模擬盒的尺寸為30 nm×10 nm×12 nm。在x、y方向采用周期性邊界條件，在z方向采用固壁和鏡像邊界條件。在x方向，石墨烯兩端10 ?的長度設(shè)置為固定端。與固定端相鄰的長度為20 ?的區(qū)域，左端設(shè)置為熱浴端，右端設(shè)置為冷浴端，用Nosé-Hoover方法對熱浴端和冷浴端進行控溫。剩下的中間區(qū)域用NVE系統(tǒng)保持能量守恒。模擬初始時刻，水滴質(zhì)心固定在靠近熱端的區(qū)域，在300 K的溫度下運行1 ns使體系達到平衡。之后僅對熱浴端和冷浴端進行控溫，運行1.5 ns以使表面產(chǎn)生所需溫度梯度。最后解除水滴質(zhì)心的固定，運行1 ns，實現(xiàn)水滴在石墨烯表面的蠕爬過程的模擬。

2 結(jié)果與討論

2.1 水滴運動分析

在模擬中發(fā)現(xiàn)：液滴在不同溫度梯度的表面上，均從高溫區(qū)域向低溫區(qū)域蠕爬，且液滴的蠕爬速度隨溫度梯度的增大而增大。

圖2為水滴在不同溫度梯度和潤濕性表面的蠕爬速度隨時間變化圖。從圖中可以看出，在不同溫度梯度下，水滴具有不同的初始速度，方向與溫度梯度方向相同，而且熱端溫度越高，水滴初始速度越大。其原因主要是由于水滴突然受到石墨烯表面溫度梯度的作用，產(chǎn)生較大的動量[8]，而且由于表面溫度梯度導(dǎo)致水滴表面產(chǎn)生表面張力梯度。溫度高的一側(cè)表面張力低，溫度低的一側(cè)表面張力高，使得水滴由表面張力低的一側(cè)向表面張力高的一側(cè)運動。

圖2 蠕爬速度隨時間變化曲線

從圖2也可以看出，在同一溫度梯度下，相互作用系數(shù)越大，水滴蠕爬的初始速度越大；同一相互作用系數(shù)下，溫度梯度越大的表面，水滴蠕爬的初始速度越大。相同溫度梯度下，在潤濕性比較大的表面上，水滴與固體表面的接觸角比較小，表面張力在溫度梯度方向的分量較大，即驅(qū)動液滴沿溫度梯度方向運動的力變大，因此在潤濕性比較大的固體表面上水滴具有較大的初始速度。而在相同相互作用系數(shù)下，在溫度梯度大的表面，水滴表面產(chǎn)生的表面張力梯度大，所以在溫度梯度大的表面上，水滴蠕爬速度較快。

2.2 水滴密度分析

圖3所示為水滴內(nèi)部原子數(shù)密度變化曲線。選取溫度梯度為△K2，液滴沿梯度方向運動至中點處時，對納米水滴在高度方向上的原子數(shù)密度進行計算。將納米水滴在高度方向上每1 ?分成一層，計算每層的原子數(shù)密度，最后繪制出原子數(shù)密度在z方向上的變化圖，如圖3所示。

圖3 原子數(shù)密度變化曲線

2.3 水滴受力分析

從圖2中也可以看出：相互作用系數(shù)越大，水滴蠕爬速度下降得越快。表1為水滴在運動過程中，沿溫度梯度方向受到的平均合外力。

表1 不同條件下水滴蠕爬過程中受到的平均作用力 單位：pN

Ff=λAv

(3)

其中：λ表示摩擦系數(shù)；v表示水滴的運動速度；A表示水滴與表面的接觸面積。摩擦系數(shù)的大小與水滴的黏度有關(guān)，在潤濕性比較大的表面上，會有更多的水分子聚集在水滴與表面的接觸面附近，造成水滴的黏度較大，摩擦系數(shù)較大；在潤濕性較小的表面上，水分子在水滴高度方向的分布較為均勻，分布在接觸面附近的水分子相對較少，從而水滴的黏度較小，摩擦系數(shù)較小[9]。另外，潤濕性較大的表面上，水滴與表面之間有較大的接觸面積和較大的初始速度；在潤濕性較小的表面上，水滴與表面有較小的接觸面積和較小的初始速度。綜上可以看出，從摩擦系數(shù)、接觸面積和運動速度3個因素考慮，在潤濕性較大的表面上，水滴具有較大的黏度、較大的接觸面積、較大的蠕爬速度，水滴受到較大的摩擦力，在蠕爬過程中速度減小得較快；在潤濕性較小的表面上，水滴具有較小的黏度、較小的接觸面積、較小的蠕爬速度，水滴受到較小的摩擦力，在蠕爬過程中速度減小得較慢。

3 結(jié)語

本文利用分子動力學(xué)方法研究了表面潤濕性和溫度梯度對水滴蠕爬的影響。研究結(jié)果表明：水滴在不同溫度梯度驅(qū)動下，均從高溫區(qū)域向低溫區(qū)域運動。水滴在不同潤濕性的表面上，會在底部產(chǎn)生密度較大的吸附層，并且固體表面的潤濕性越大，吸附層的密度越大。對于相同溫度梯度，潤濕性較大的表面，水滴蠕爬速度較快，但在蠕爬過程中，也受到較大的摩擦力，水滴蠕爬速度減小得較快；潤濕性較小的表面，水滴蠕爬速度較慢，但在蠕爬過程中，受到的摩擦力也比較小，水滴的蠕爬速度減小得也比較慢。