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基于胶体颗粒电动特性的胶体晶体弹性性质研究

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摘要

1.1 研究背景与意义

1.2 研究基础和现状

1.2.1 胶体颗粒表面的双电层结构与有效电荷数

1.2.2 胶体悬浮液中颗粒的电动特性

1.2.3 胶体晶体的弹性性质

1.3 本文的研究内容

2 不同方法得到的胶体颗粒表面有效电荷数的对比及胶体颗粒的参数表征

2.1 引言

2.2 胶体颗粒的参数表征

2.2.1 胶体颗粒直径的测量

2.2.2 电泳迁移率的测量

2.2.3 胶体颗粒的结晶孔隙率

2.3 胶体颗粒表面有效电荷数的不同测定方法

2.3.1 电导滴定法

2.3.2 电导率一数浓度拟合法

2.3.3 平均场归一法

2.3.4 剪切模量一数浓度拟合法

2.4 结果与讨论

2.4.1 滴定有效电荷数和迁移有效电荷数之间的对比

2.4.2 平均场归一电荷数与弹性有效电荷数的比较

2.4.3 电导有效电荷数与弹,眭有效电荷数的比较

2.5 本章小结

3 胶体晶体所在的无盐悬浮液中胶体颗粒的电泳率

3.1 引言

3.2 理论分析

3.2.1 问题描述和模型假设

3.2.2 液体流动

3.2.3 离子运动

3.2.4 平衡状态与扰动的线性化

3.2.5 控制方程的变换

3.2.6 求解电迁移率

3.2.7 忽略弛豫现象

3.3 计算方法

3.4 结果与讨论

3.4.1 迁移率随体积分数的变化

3.4.2 迁移率随自适应有效电荷数的变化

3.5 本章小结

4 用数量级分析法求无盐悬浮液中胶体颗粒的迁移率

4.1 引言

4.2 理论分析

4.2.1 数量级分析方法

4.2.2 电势分布的近似

4.2.3 电泳迁移率的近似

4.3 结果与讨论

4.4 本章小结

5 利用外加电场测量带电颗粒胶体晶体的杨氏模量

5.1 引言

5.2 材料与方法

5.2.1 胶体晶体的制备

5.2.2 实验装置的设计

5.2.3 测量原理

5.3 结果与讨论

5.4 本章小结

6 带电颗粒胶体晶体的剪切模量理论模型的改进

6.1 引言

6.2 理论分析

6.3 材料与方法

6.3.1 胶体颗粒的参数化

6.3.2 剪切模量的测量

6.4 结果与讨论

6.4.1 理论和实验值的比较

6.4.2 确定弹性有效电荷数方法的改进

6.5 本章小结

7 结论与展望

7.1 结论

7.2 展望

参考文献

附录

作者简历及攻读博士期间取得的研究成果

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摘要

胶体悬浮液是一种典型的软物质体系,广泛应用于材料、化工、医药、环境等多个领域,而胶体晶体则在光子通信和光子计算机等领域有着广阔的应用前景。此外,胶体晶体还作为研究凝聚态物质的重要的模型体系,其理论价值一直受到国际上的广泛关注。这是因为胶体晶体在时间尺度和空间尺度上与相应的原子分子体系相比都有多个数量级的放大,于是人们可以使用更丰富的测量手段得到物质结构的微观信息。
  本论文主要针对胶体晶体的力学性质开展研究。由于宏观上的胶体晶体力学性质与微观上的胶体颗粒的带电性质紧密相关,因此本文先使用理论和实验的方法分析了胶体颗粒的带电性质与电动行为,并在此基础之上研究了胶体晶体的弹性性质(包括拉伸/压缩、剪切)以及孔隙的影响。本文的主要研究内容和成果如下:
  1、针对胶体颗粒表面有效电荷数使用较为混乱的问题,系统地对比分析了由不同方法得到的胶体颗粒表面有效电荷数,包括平均场归—电荷数、滴定有效电荷数、迁移有效电荷数、弹性有效电荷数,并讨论了由这些方法得到的有效电荷数之间差异产生的物理机制,从而明确了它们的适用场合。
  2、在已有的有盐悬浮液中胶体颗粒电泳的电动模型基础之上,运用流体力学和电化学的基本理论建立了胶体晶体所处的无盐悬浮液中胶体颗粒电泳的电动模型。根据新建立的无盐悬浮液中胶体颗粒电泳的模型,由颗粒表面有效电荷数计算得到的电泳迁移率的理论结果与实验测量值相符。此外还进一步讨论了迁移率随颗粒体积分数及表面有效电荷数的变化关系。由于新模型考虑了颗粒电离到悬浮液中的反离子以及水电离出的离子的影响,因而还可以考虑有盐悬浮液中的电解质盐离子的影响,与现有模型相比具有更广泛的适用性。
  3、在本文建立的无盐悬浮液中胶体颗粒电泳的电动模型基础之上,使用数量级分析法推导出了无盐悬浮液中颗粒电泳的迁移率解析表达式,不仅使得求解颗粒迁移率的过程更加简捷,而且也进一步理解了颗粒电泳的流体动力学机制。
  4、根据无盐悬浮液中胶体颗粒电泳的流体动力学机制,提出了通过对胶体晶体施加静电场作用来快速测量胶体晶体杨氏模量的方法。该方法利用静电场驱动胶体晶体的内部变形,并通过测量实际场强得到胶体晶体各部分的应力,以及通过测量最近相邻颗粒间距得到胶体晶体各部分的应变,最后获得胶体晶体拉伸和压缩变形的应力应变曲线,为了解胶体晶体的材料力学性能提供了一个非常实用的途径。这一利用静电场测量杨氏模量的方法比已有的利用重力沉降的方法在测量效率和适用范围上都有非常大的改进。
  5、将孔隙的影响引入到胶体晶体的剪切模量—相互作用势关系模型中,从而可以基于胶体颗粒的表面有效电荷数较为准确地得到胶体晶体的剪切模量,解决了过去的胶体晶体剪切模量的理论值与实验测量值差别较大的问题。该工作不仅改进了胶体晶体剪切模量的理论计算模型,还进一步完善了对胶体晶体的材料力学性能的认识。
  本论文的工作将胶体颗粒的电动特性与胶体晶体的弹性性质相结合,不仅改进了相关的理论模型,创建了新的实验研究方法,还进一步认识了胶体晶体弹性性质的微观机理。相关结果对胶体颗粒电动特性的利用以及深入理解和控制胶体晶体的力学性能都有重要的价值。

著录项

  • 作者

    王林伟;

  • 作者单位

    北京交通大学;

  • 授予单位 北京交通大学;
  • 学科 力学
  • 授予学位 博士
  • 导师姓名 徐丰,徐升华;
  • 年度 2017
  • 页码
  • 总页数
  • 原文格式 PDF
  • 正文语种 中文
  • 中图分类 O733.2;
  • 关键词

    胶体晶体; 弹性性质; 胶体颗粒; 电动特性;

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