Nauji nano guoliai, sukurti fizinės adsorbcijos būdu | mokslinės ataskaitos

Nauji nano guoliai, sukurti fizinės adsorbcijos būdu | mokslinės ataskaitos

Anonim

Dalykai

  • Skysčio dinamika
  • Nanofluidika

Anotacija

Straipsnyje siūlomas naujas nano guolis, suformuotas fiziškai uždaru skysčiu adsorbuojant kietą sieną. Guolis suformuotas tarp dviejų lygiagrečių lygių vientisų plokštumų sienų, slenkančių viena prieš kitą, kur įprasta hidrodinaminio tepimo teorija nenumatė jokio tepimo efekto. Šiame guolyje nejudanti tvirta siena yra padalinta į dvi dalis, kurios atitinkamai turi skirtingą sąveikos stiprumą su tepimo skysčiu. Tai lemia skirtingą tepalinio skysčio fizinę adsorbciją ir slydimo savybes ties nejudančia vientisa siena atitinkamai šiuose dviejuose zonose. Nustatyta, kad maža tepalinės plėvelės storis gali sukelti didelę guolio laikomąją galią dėl stiprios fizikinės adsorbcijos ir nenutrūkstamo tepimo plėvelės poveikio.

Įvadas

Mikro / nano įtaisuose sujungti kieti paviršiai dažnai yra lygiagrečiai ir slysta vienas prieš kitą 1 . Tepimas tarp šių paviršių yra sudėtingas, nes jis yra labai svarbus suformuoto kontakto veikimui, įskaitant sukibimo jėgų tarp dviejų paviršių sumažinimą, tačiau pagal įprastą hidrodinaminio tepimo teoriją sakoma, kad dėl masės srauto tepti negalima. Į kontaktą įleisto tepalo „Couette“ srauto greitis, lygus srautui, išstumtam iš kontakto, ir tada visada patenkinama srauto tęstinumo sąlyga esant kontaktui su nykstančiais slėgio gradientais 2, 3 .

Įprastos hidrodinaminio tepimo teorijos nesėkmės numatant sutepto mikro / nano kontakto efektyvumą priežastys yra ta, kad tokia teorija nagrinėjo tik homogeniškas kontakto paviršiaus savybes, nepaisė fizinės adsorbcijos ir tepalinės plėvelės paslydimo faktorių prie kontakto. paviršiaus ir buvo grindžiamas prielaida, kad tepalas yra ištisinis 4 . Kai atskyrimas tarp dviejų sujungtų kietų paviršių yra nanometrų skalėje, įprastinė hidrodinaminio tepimo teorija tikrai nepavyks dėl aukščiau paminėtų nerealių šios teorijos prielaidų. Eksperimentai ir molekulinės dinamikos modeliavimas (MDS) parodė, kad nanometrų skalės paviršiaus atskyrimas uždarą skystį gali smarkiai slysti kietu paviršiumi, o kontaktinis-skysčio sąveikos stiprumas daro didelę įtaką šiam tarpfaziniam slydimui 5, 6, 7, 8, 9, 10 . Be to, atliekant tokį atskyrimą, fizinė uždaro skysčio adsorbcija ant kieto paviršiaus, pasireiškianti uždaro skysčio paskirstymu į kietą paviršių, gali turėti reikšmingą impulsų perdavimo skysčiu 11, 12, 13, 14, 15, 16 . Ribinės plėvelės tarpfazinis slydimas suteptu mikro / nano kontaktu yra ribinės plėvelės sąsajos šlyties įtempio, viršijančio ribinės plėvelės-sąlyčio tarpfazinio šlyties stiprį, rezultatas 17 . Mažesnis ribinės plėvelės-sąlyčio tarpfazinio šlyties stipris, tuo didesnis ribinės plėvelės sąsajos slydimo greitis 17 . Santykinis kraštinės plėvelės (apibrėžtos kaip γ s pastaruoju metu) slydimo dydis svyruoja tarp –1 ir 1. Didesnis γ s dydis rodo sunkesnį tarpfazinį slydimą, o γ s dydis, lygus vienybei, rodo sunkiausią. tarpfazinis slydimas, dėl kurio ribojamoji plėvelė ant kontaktinių paviršių sustabdoma judant arba didžiausia padidina ribinės plėvelės judėjimo greitį ant kontaktinio paviršiaus. Taigi, ribojantis plėvelės paviršinis slydimas gali sumažinti arba padidinti tepalinės plėvelės masės srautą per kontaktą, atsižvelgiant į eksploatavimo sąlygas ir ten, kur vyksta tarpsluoksnio slydimas. Taigi tai gali būti kenksminga arba naudinga sutepto mikro / nano kontakto veikimui. Atsižvelgiant į sąveikos stiprumą tarp uždaro skysčio ir sienos, neišvengiamai gali būti stipri, vidutinio lygio arba silpna uždaro skysčio adsorbcija nanodalelio kietoje sienoje 11, 12, 13, 14, 15 . Kuo stipresnė skysčio ir sienos sąveika, tuo stipresnė skysčio fizinė adsorbcija prie sienos, tačiau silpnesnė skysčio tarpsluoksnio slydimas arba atvirkščiai 11, 12, 13, 14, 15 .

Kita vertus, molekulinės dinamikos modeliavimas parodė, kad nanokanalyje esantis skystis iš tikrųjų pasižymi nepertraukiamomis savybėmis, parodydamas skirtingą vietinį tankį ir klampumą kanalo aukštyje 11, 12, 13, 14, 15 . Nepertraukiamo skysčio tekėjimo dėsniai tiek „Couette“, tiek „Poiseuille“ srautuose labai skiriasi nuo skysčių, ištisinių, besitęsiančio 11, 12, 13, 14, 15 . Autorius parodė, kad skysčio nenutrūkstamasis poveikis, ty skysčio nepertraukiamumo ir nehomogeniškumo poveikis per visą skysčio plėvelės storį, turėtų būti atsakingas už nanokanalų srauto nukrypimą nuo įprasto hidrodinaminio tepimo teorijos aprašymo 18, 19 .

Tepimas mikro / nano kontaktuose iš tikrųjų gali būti fizinis adsorbuoto sluoksnio ribų tepimas, kuris labai priklauso nuo adsorbuoto sluoksnio ir kontaktinio paviršiaus sąveikos. Taikant šį režimą, tepimas neatitinka įprastos hidrodinaminio tepimo teorijos, todėl gali reikėti sukurti naują teoriją, kurioje būtų atsižvelgiama į ribinės plėvelės fizinę adsorbciją, paviršių slydimą ir nenutrūkstamą poveikį20. Fizinį adsorbuoto sluoksnio kraštų tepimą taip pat gali būti sudėtinga sukurti tarp dviejų lygiagrečių lygaus paviršiaus, turinčio homogeniškas paviršiaus savybes, pagal atitinkamą išplėstinę tepimo teoriją 21, dėl nykstančio besitęsiančio ir fizinės ribinės plėvelės adsorbcijos poveikio. Tokiu atveju fizinis adsorbuotas ribinis sluoksnis yra lengvai išstumiamas iš kontakto apkrovos metu ir iš tikrųjų labai sunku sukurti tepimo efektą.

Tęstinio hidrodinaminio tepimo teorija parodė, kad hidrodinaminis tepimas gali būti generuojamas tarp dviejų lygiagrečių lygaus kieto paviršiaus, slystančio vienas prieš kitą, dirbtinai suprojektuojant kontaktinio skysčio tarpfazinį slydimą ties konkrečiais paviršiais 22 . Tokia technologija taip pat gali būti taikoma kuriant ribinį tepimo efektą tarp dviejų stumdomų lygiagrečių lygių kietų paviršių, įskaitant nano guolio, suformuoto iš dviejų lygiagrečių lygių kietų sienų 21, suprojektavimą. Išskyrus tarpslankstinę slydimo technologiją 21, nano slankiojančio guolio, suformuoto tarp dviejų lygiagrečių lygių vientisų sienelių, sukūrimui nebuvo parodyta jokių kitų technologijų.

Nano kontakto ribų sutepimas kada nors buvo tiriamas atomistiniais modeliavimais (įskaitant molekulinės dinamikos modeliavimą ir Monte Karlo modeliavimą), kurie paprastai užtrukdavo daug laiko ir atimdavo daug kompiuterio saugyklų ir dažnai buvo taikomi tik labai mažiems kontaktiniams plotams ( 23, 24, 25). . Akivaizdu, kad tokių metodų nepakanka realiam kontaktui su daug didesniu kontakto dydžiu. Nustatyta, kad ab initio skaičiavimas netaikomas mikrokontaktui su dideliu kontakto pločiu ir (arba) kontakto ilgiu. Norint įveikti didžiulį laiko sąnaudą ir didžiulį kompiuterio atminties sunaudojimą atliekant tokį skaičiavimą, kada nors buvo sukurta daugybė skaičiavimo metodų, tačiau jie dar toli gražu nėra pritaikomi realiam kontaktui 26 .

Taip pat buvo pasiūlyta daugybė kontinuumo ar kvazikontinuumo modelių, skirtų nano kanale užfiksuoto skysčio srautui modeliuoti. Hansen ir kt. 27, naudodamas Navjero-Stokso lygtį, kada nors apskaičiavo greičio profilius, esančius tiek Kouette, tiek Poiseuille srautuose per kanalo aukštį, atsižvelgiant į tarpfazinį slydimą ant tvirtos sienos ir tarpmolekulines jėgas sistemoje. Nors tiek slydimo ilgis, tiek plėvelės greičio profilis Poiseuille sraute, apskaičiuotas pagal jų modelį, atitiko MDS rezultatus, jų modelis buvo grindžiamas tęstinumo skysčio prielaida, jame trūko įterpto skysčio nepertraukiamumo ir nehomogeniškumo visame kanalo aukštyje. Bhatia ir kt. 28 apžvelgtas Knudseno modelis, dulkių dujų modelis, paviršinės trinties modelis, Maksvelo-Stefano metodas, osciliatoriaus modelis ir paskirstytosios trinties metodas teoriškai tiriant molekulinį transportą nanoporose, ir atkreiptas dėmesys į šių charakteristikas bei trūkumus. atitinkamai modeliai. Kai kurie iš jų praleido ribotą skysčio-sienos sąveiką, o kiti netiesiogiai svarstė uždaro skysčio nehomogeniškumą, nors įtraukė skysčio ir sienos sąveiką. Giannakopoulos ir kt. MDS tyrė paprasto skysčio, tekančio nano kanalu, esant pastoviai temperatūrai, difuzijos koeficiento, šlyties klampos ir šilumos laidumo dydį. Jie susiejo šias skysčio savybes su jų tūrinėmis vertėmis, atitinkamai, sudarydami kai kurias formuliavimo lygtis. Jie parodė, kad uždaro skysčio šlyties klampumas padidėjo sumažinus kanalo aukštį, o kitos dvi skysčio savybės - kitaip. Jų tyrimas užmezgė ryšį tarp MDS rezultatų ir uždaro skysčio fizikinių savybių empirinių lygčių formulių, pastarosios yra svarbios efektyviam inžinerinio kontakto modeliavimui. Vėliau jie sukūrė beveik kontinuumo modelį skysčio, tekančio nano kanale, savaiminei difuzijai, kad būtų užfiksuotas MDS apskaičiuotas skysčių išdėstymas visame kanalo aukštyje 30 . Jų modelis buvo pastangos rasti veiksmingą metodą, imituojantį įvairaus masto srautą, apimantį nuo nano iki makro.

MDS tyrė ir įdomius reiškinius, susijusius su uždaro skysčio molekuliniu sukiniu, sukimosi klampumu ir kampiniu impulsu nanokanalyje. Moore ir kt. 31 parodyta, kad chloro skystis arba skystis, susidedantis iš mažų linijinių molekulių, turi sukimosi klampą. Hansen ir kt. 32 parodyta, kad esant netolygiam srautui nanokanalyje, kurio svyravimo dažnis yra ypač aukštas, uždaroje skystyje kampinis impulsas turėtų būti susietas su vertimo impulsu, atsižvelgiant į skysčio sukimosi klampą, o uždaro skysčio molekulinis nugaros poveikis buvo nėra nereikšmingas. Tačiau jie parodė, kad pastoviam ar netolygiam srautui esant mažam Reynolds skaičiui šie du momentai gali būti atsieti vienas nuo kito, o uždaro skysčio molekulinis sukimosi efektas yra nereikšmingas.

Fizinio adsorbuoto sluoksnio ribų tepimui tirti buvo pasiūlytas srauto faktoriaus metodas 33 . Neseniai buvo atskleistas šio modelio pobūdis, kad gerai sutaptų su MDS rezultatais, kai apskaičiuojamas uždaro skysčio tekėjimo greitis tiek kupė, tiek Poiseuille srautuose 18, 19 . Tuomet iš šio modelio 34 buvo gauta uždaro skysčio tekėjimo lygtis nano kanale. Modelis nepaiso uždaro skysčio molekulinio sukimosi efekto ir yra tinkamas esant mažiems Reynoldso skaičiams. Faktiškai tai yra lygiavertis kontinuumo modelis, apimantis tiek dinaminį, tiek nepertraukiamą uždaro skysčio poveikį, atsižvelgiant į skysčio nepertraukiamumą ir nehomogeniškumą visame kanalo aukštyje. Šio modelio pranašumai yra tai, kad jis ne tik atspindi MDS apskaičiuotą uždaro skysčio srauto charakteristiką, bet ir efektyviai pritaikomas realiam kontaktui su dideliu kontakto dydžiu. Remiantis šiuo modeliu, gauti nanodalelių guolio analizės rezultatai 21, 34 .

Srauto koeficiento metodo modelis, taip pat molekulinės dinamikos modeliavimo rezultatai parodė, kad vidutinis greitis uždaro skysčio kanalo aukštyje nano kanale Couette sraute iš tiesų yra lygus apskaičiuotam pagal įprastą hidrodinaminio tepimo teoriją, tuo tarpu šio uždaro skysčio tekėjimo greitis Poiseuille sraute yra sumažintas dėl nepertraukiamojo efekto, ty uždaro skysčio nepertraukiamumo ir nehomogeniškumo poveikio per kanalo aukštį 18, 19 . Šie rezultatai gali būti svarbūs indikatoriai, rodantys, kaip nano guolyje sukuriama laikomoji geba. Tai yra, net su dviem lygiagrečiomis lygiomis tvirtomis sienomis, jei skysčio ir kietos sienos sąveika įleidimo zonoje yra stipresnė nei išleidimo zonoje, nano slankiklyje susidarys didelis slėgis ir tada bus laikoma apkrova. guolis, nes masės srauto greitis, esant Couette srautui į guolį, yra didesnis nei srautui iš guolio, nes stipresnė adsorbcija skysčio sienelėje, o tada didesnis vidutinis skysčio tankis per skysčio plėvelės storį įleidimo zonoje nei išleidimo zonoje. Nenutrūkstamas skysčio poveikis nano guolyje sumažina Poiseuille srauto masės srauto greičius tiek guolio įleidimo, tiek išleidimo zonose, tada padidėja bendro masės srauto į guolį dydis, bet sumažėja masės srauto iš guolio greitis. Norint išlaikyti srauto tęstinumą, reikia, kad guolio įleidimo ir išleidimo zonose būtų sugeneruotas didesnis slėgis, kad susidarytų atitinkami Poiseuille srautai šiuose dviejuose zonose dėl skysčio nepertraukiamo efekto. Dėl skysčio nepertraukiamo efekto žymiai padidėtų nano guolio apkrova. Kita vertus, uždaro skysčio paslydimas prie sienos paviršiaus nano guolyje taip pat turėtų didelę įtaką laikomajai guolio apkrovai.

Remiantis pagrindiniais nano guolio laikomosios gebos generavimo mechanizmais, šiame darbe bandoma ištirti naujojo nano slankiklio guolio, suformuoto tarp dviejų lygiagrečių lygių vientisų plokštumų sienų, priklausomybę nuo fizinės adsorbcijos, efektyvumą. srauto faktoriaus požiūrio modelis. Skirtingai nuo anksčiau tirto guolio, atsižvelgiant į homogenines paviršiaus savybes, parodytas ref. 34 pav. Pateiktas guolis turi nehomogeniškas nejudančios vientisos sienos paviršiaus savybes, kad būtų sukurta guolio laikomoji geba, ty dabartiniame guolyje tepimo plėvelės ir nejudančios kietos sienos sąveika guolio įleidimo zonoje yra stipresnė nei tas, kuris yra guolio išleidimo zona. Šis tikslas gali būti įgyvendintas paėmus skirtingas nejudančios vientisos sienos medžiagas arba padengiant skirtingas dangas ant nejudančios vientisos sienos guolio įleidimo ir išėjimo zonose. Dabartinis guolis taip pat skiriasi nuo tirto guolio ref. 21, kuris priklausė nuo dirbtinai padaryto sąsajos slydimo guolio įleidimo zonoje, siekiant pagerinti guolio savybes, tuo atveju, kai nejudančios vientisos sienos ir tepimo plėvelės sąveika guolio įleidimo zonoje buvo daug silpnesnė nei guolio išleidimo angoje. zona. Taigi nejudančios vientisos sienos paviršiaus savybės ir tepalinės plėvelės fizinės adsorbcijos savybės dabartiniame guolyje labai skiriasi nuo tiriamojo guolio savybių. 21.

Remiantis srauto faktoriaus metodo modeliu, šiame darbe pateikiama tiriamojo guolio laikomosios galios analizė. Buvo gauta sąlyga guolio formavimuisi. Skaičiavimo rezultatai parodė, kad tiriant mažą tepimo plėvelės storį, esant stipriai fizinei adsorbcijai ir nenutrūkstamam tepimo plėvelės poveikiui, tiriamajame guolyje gali atsirasti reikšmingas slėgis ir tada ryški apkrovos geba. Taip pat buvo gauta optimali guolio maksimalios apkrovos sąlyga.

Studijuojamas guolis

1 paveiksle parodytas tiriamas nano guolis, suformuotas iš dviejų lygiagrečių lygių vientisų plokštumų sienų, slenkančių viena prieš kitą. Visa judanti tvirta siena pagaminta iš tos pačios medžiagos, kuriai skysčio adsorbcija gali būti stipri, vidutinio lygio arba silpna. Uždaras skystis gali slysti arba neslysti šiuo sienos paviršiumi, priklausomai nuo jo adsorbcijos prie šio sienos paviršiaus. Nejudanti tvirta siena yra padalinta į du zonus, ty „a 1 “ ir „a 2 “, kurie yra pagaminti iš skirtingų medžiagų arba padengti skirtingomis dangomis. Skysčio adsorbcija ant sienos paviršiaus „ a 1 “ porūšyje yra žymiai stipresnė nei paviršiaus paviršiaus „ a 2 “ zonoje. Uždaras skystis gali slysti arba neslysti ties šių paviršių paviršiais šiuose dviejuose zonose, atsižvelgiant į jo adsorbciją šiuose sienos paviršiuose.

Image

Aprašymas: „ a 1 “ subzono medžiaga ar paviršiaus medžiaga skiriasi nuo „ a 2 “ subzono medžiagų, o skysčio ir sienos sąveika „ a 1 “ pozonyje yra žymiai stipresnė nei tarp skysčio ir siena „ a 2 “ zonoje.

Visas dydis

Analizė

Visas tiriamojo guolio suteptas plotas yra padalintas į „I“ ir „II“ potėpius, kurie atitinkamai žymi guolio įleidimo ir išleidimo zonas. Dekarto koordinačių sistema parodyta 1 pav. Atliekant analizę buvo manoma, kad slėgis uždarame skystyje yra pastovus visame plėvelės storyje. Tai leidžiama pagal molekulinės dinamikos modeliavimo rezultatus 35 . Pastovaus slėgio per visą plėvelės storį prielaida taip pat buvo taikoma plėvelės storiui mikrometrų skalėje, kaip nustatyta įprastoje hidrodinaminio tepimo teorijoje 3 . Taigi šis modelis neapsiriboja nanometrinės plėvelės storiu, bet gali būti išplėstas iki mikrometrinės plėvelės storio, ty ištisinės tepimo plėvelės atveju, kaip parodyta Eq. (1) ir (2) pastarosiose.

Manoma, kad „ y “ koordinatės kryptimi uždaras skystis neteka, ty guolyje nebuvo manoma, kad šoninis nuotėkis. Tokia prielaida taip pat dažnai buvo atsižvelgiama analizuojant įprastą hidrodinaminį guolį 3 . Tai leidžiama, kai kontakto dydis „ y “ koordinatės kryptimi yra daug didesnis nei koordinatės „ x “ kryptimi, kad skysčio srautas šone būtų nereikšmingas, palyginti su visu skysčio srautu į kontaktą. Šiuo atveju prielaida gali gerai prognozuoti guolio laikomąją galią. Kontaktų dydžiui „ y “ koordinatės kryptimi, palyginamam su „ x “ koordinatės kryptimi, gali reikėti atsižvelgti į šoninio nuotėkio efektą, ir gali būti įvestas korekcijos koeficientas, kad būtų galima pakeisti guolio nešančiąją apkrovą, apskaičiuotą remiantis prielaidą, kad nėra slydimo nuotėkio, reikia atsižvelgti į šoninio nuotėkio efektą, kaip buvo daroma atliekant įprastinio hidrodinaminio guolio analizę 3 . Šis darbas yra esminis ir guolio nešančiosios apkrovos pataisos koeficientas, atspindintis šoninio nuotėkio efektą, gali būti ištirtas vėlesniuose tyrimuose.

Atliekant šią analizę, taip pat nebuvo atsižvelgiama į trintį kaitinant guolį. Tai gali būti leidžiama, kai slydimo greitis yra mažas. Tačiau esant dideliam slydimo greičiui ši prielaida gali būti neleistina, todėl gali reikėti šiluminės guolio analizės. Šis darbas gali duoti pagrindinį tiriamojo guolio rezultatą, o atsižvelgiant į trinties kaitinimo efektą, taip pat gali būti įvestas pataisos koeficientas, kad būtų galima modifikuoti gautus rezultatus, kaip buvo daroma įprastoje hidrodinaminio guolio analizėje 3 .

Sukabinti sienų paviršiai šiame guolyje buvo laikomi idealiai lygiais ir standžiais. Šie gydymo būdai gali supaprastinti problemą. Šis apdorojimas leidžiamas esant mažam tepalinės plėvelės slėgiui ir išsikišimui ant sienos paviršiaus, daug mažesniam nei tepalinės plėvelės storis. Tačiau kai plėvelės slėgis yra toks didelis, kad susidariusi sienos paviršiaus elastinė deformacija yra panaši į plėvelės storį, reikia įvertinti sienos paviršiaus elastinės deformacijos įtaką guolio savybėms. Kita vertus, kai sienos paviršiaus išsikišimas yra palyginamas su plėvelės storiu, taip pat reikėtų atsižvelgti į sienos paviršiaus šiurkštumo efektą. Ateityje tai galėtų būti įdomios temos. Be to, kadangi šiame darbe nagrinėjamas fizinis adsorbcijos poveikis guolio laikomajai galiai, čia neatsižvelgiama į pleišto efektą tarp sujungtų sienų, ty abi guolio sienos yra lygiagrečios viena kitai. Nepaisant to, pleišto poveikis tarp sienų taip pat yra svarbus guolio laikomajai apkrovai, kaip buvo žinoma iš įprastos hidrodinaminio tepimo teorijos 3 . Šiuo atžvilgiu tyrimai bus atlikti labai greitai.

Galiausiai, kadangi šiame darbe bandoma nano guolio laikomąją galią tirti dėl fizinės adsorbcijos, paviršiaus sienų slėgio, kurį sukelia sienos sąveika, poveikis guolio laikomajai apkrovai yra nepastebimas, t. Y. Čia apskaičiuotą guolio apkrovą lemia tepimo plėvelė. Nepaisant to, šis skaičiavimas paprastai yra pagrindinė guolio laikomosios galios dalis ir pakankamas, nes paviršiaus slėgio efektas paprastai būna silpnas ir nereikšmingas, kai tepamosios plėvelės storis yra šiek tiek didesnis nei 1 nm 36, 37, be to, taip pat paviršiaus slėgio indėlis paprastai yra daug mažesnis nei tepimo plėvelės.

Remiantis aukščiau paminėtomis prielaidomis, pagal uždaro skysčio srauto nano kanale 34 srauto koeficiento metodą, masės srauto greitis, tenkantis vieneto kontakto ilgiui per uždaro skysčio kontaktą „I“ zonoje, yra:

Image

kur h ir p yra atitinkamai uždaro skysčio plėvelės storis ir slėgis, x yra uždaro skysčio tekėjimo krypties koordinatė, parodyta 1 pav.,

Image
vidutinis uždaro skysčio tankis per plėvelės storį „I“ zonoje, priklausantis nuo plėvelės storio,
Image
yra uždarojo skysčio, esančio „I“ zonoje, klampumas, priklausantis nuo plėvelės storio,
Image
yra parametras, vaizduojantis nenutrūkstamą poveikį, ty uždaro skysčio nepertraukiamumo ir nehomogeniškumo poveikį skysčio srautui „I“ zonoje, kuris priklauso nuo plėvelės storio ir
Image
ir
Image
. Čia
Image
ir
Image
atitinkamai yra uždaro skysčio greičiai ant nejudančių ir judančių kietų sienų paviršių „I“ zonoje. Kada
Image
ir
Image
atitinkamai yra lygus atitinkamų kontaktinių paviršių judėjimo greičiui, paviršiaus sąveika neslysta; Priešingu atveju paviršinis slydimas įvyks. Pirmasis terminas Eq dešinėje. (1) yra Couette srautas ir tiksliai pagal MDS rezultatus 18, 19, o antrasis terminas šioje pusėje yra Poiseuille srautas. Kaip Eq. (1) parodyta, kad uždaro skysčio nepertraukiamas poveikis pasireiškia Poiseuille tėkmės terminu. Jei slėgio gradientas išnyksta, Poiseuille srautas išnyksta, o uždaro skysčio nepertraukiamas poveikis išnyksta. Kita vertus, jei plėvelės storis yra didesnis nei kritinis plėvelės storis
Image
, vertė
Image
ekvivalente (1) yra −1 taip, kad Eq. (1) redukuojama į Reynolds lygtį, skirtą nuolatiniam skysčių tepimui; Priešingu atveju, jei plėvelės storis yra mažesnis, dydis -
Image
yra mažesnis (mažesnis nei vienybė), o uždaro skysčio nepertraukiamas poveikis yra stipresnis. Kuo stipresnis uždarojo skysčio nepertraukiamas poveikis, tuo labiau sumažėja Poiseuille srautas. S dydis iš tikrųjų yra skysčio, esančio be pertraukos, Poiseuille tėkmės greičio ir lygiaverčio tęstinio skysčio srauto santykis.
Image
buvo pagrįstas MDS rezultatais 15, 18, 19, kurie parodė, kad uždaro skysčio nepertraukiamas poveikis (ty nepertraukiamumo ir nehomogeniškumo poveikis per visą plėvelės storį) sumažina uždaro Poiseuille'o tekėjimo greičio dydį. skystis. Paimant fizines savybes
Image
,
Image
ir
Image
uždaro skysčio ir įtraukimo greičio
Image
Visa tai priklauso nuo skysčio ir sienos sąveikos, (1) lygtis atsižvelgia į paviršinio paviršiaus slydimą, fizinę adsorbciją ir nepertraukiamą uždaro skysčio poveikį. Kai plėvelės storis h yra mažesnis už kritinį plėvelės storį
Image
, tepimo plėvelė tarp dviejų kietų sienelių taps nepertraukiama per visą plėvelės storį, įprastinė (ištisinė) hidrodinaminio tepimo teorija žlugs, o atitinkama nepertraukiamo tepimo teorija, tokia kaip parodyta Eq. (1) turėtų būti taikomas. Įprastam aliejui, tokiam kaip parafino arba sintetiniai aliejai,
Image
paprastai yra 10 nm 20 skalėje; Nors paprastam skysčiui, tokiam kaip skystas argonas ir vanduo,
Image
gali būti tik 1 nm skalėje 11, 15 .

Tiriant molekuliškai plonos plėvelės sutepto kontakto veikimą, įterpiant paviršiaus slėgį dėl sienų sąveikos, kada nors buvo naudojama įprastinė (ištisinė) hidrodinaminio tepimo teorija 38 . Toks požiūris patyrė esminių trūkumų modeliuojant uždaro nepertraukiamo skysčio reologiją, todėl paprastai sutepto kontakto apkrova turėtų būti daug mažesnė, nei nustatyta nepertraukiamo tepimo teorijoje, kaip parodyta Eq. (1) dėl to, kad nepaisoma tepimo plėvelės fizinės adsorbcijos ir nenutrūkstamo poveikio 21, 34 . Tačiau kai tepimo plėvelė yra tokia stora, kad jos storis nėra žymiai mažesnis už kritinį plėvelės storį

Image
, uždaros plėvelės fizinis adsorbcija ir nenutrūkstamas poveikis gali būti silpnas ir nereikšmingas, tokiu atveju suteikus sąlyčio apkrovą apkrova gali būti artima nenutrūkstamo tepimo teorijos 21, 34 .

Panaši lygtis gali būti įgyvendinta ir „II“ potvyniui.

Image

kur atitinkamų parametrų reikšmės yra atitinkamai tokios pačios kaip ir Eq. (1), išskyrus tai, kad indeksas „II“ žymi „II“ potemę.

Kaip reikalauja srauto tęstinumas,

Image
; Jei
Image
,
Image
,
Image
ir S ( h ) ekvivalentais. (1) ir (2) yra žinomi tam tikru h , slėgio pasiskirstymas „I“ ir „II“ zonose gali būti išspręstas atitinkamai iš šių dviejų lygčių naudojant srauto tęstinumo ir slėgio ribines sąlygas.
Image
. Tuo pačiu metu masės srautas
Image
ir
Image
bus išspręstas.

Kadangi riboto skysčio adsorbcija ant sienos paviršiaus „ a 1 “ zonoje yra stipresnė nei sienos paviršiaus „ a 2 “ zonoje,

Image
,
Image
ir
Image
34 . Esant tokioms sąlygoms, uždarojo skysčio nenutrūkstamas poveikis „I“ pozonyje yra stipresnis nei „II“ pozonyje.

Jei

Image
, mes turime
Image
. Kaip ekvivalentai. (1) ir (2), esant tokioms sąlygoms, skysčio masės srauto greitis „Couette“ sraute „I“ subzonyje yra didesnis nei „II“ potvynyje. Taigi tokiu atveju, jei kontaktas nesukeltų slėgio, sraute nenutrūktų kontaktas. Esant tokiai sąlygai, norint išlaikyti srauto tęstinumą, turi būti sugeneruotas slėgis kontakto metu, kad būtų sukurtas atitinkamas Poiseuille srautas, kad būtų subalansuotas visas srautas. Akivaizdu, kad esant tokiai būklei, guolis yra suformuotas su tam tikra keliamąja galia.

Kadangi srauto tęstinumas tam tikromis eksploatavimo sąlygomis reikalingas,

Image
= pastovus. Taigi, pasak Eq. (1), jei
Image
yra pastovus,
Image
yra pastovi tam tikrą h . Tuo pačiu, jei
Image
yra pastovus,
Image
yra pastovi tam tikrą h . Kaip parodyta 1 pav., Slėgio ribinės sąlygos yra:
Image
. Leisti
Image
, pastoviam
Image
ir
Image
, slėgio pasiskirstymas uždarame skystyje parodytas 2 pav. Parodyta, kad esant tokiai padėčiai slėgis „I“ ir „II“ zonose yra atitinkamai paskirstytas tiesiškai, o maksimalus slėgis
Image
įvyksta ties riba tarp šių dviejų zonų.

Image
Image
yra didžiausias slėgis guolyje. Aprašymas: Slėgiai guolyje esančiuose „I“ ir „II“ zonose yra atitinkamai paskirstyti tiesiškai, o didžiausias slėgis atsiranda ties riba tarp šių dviejų zonų.

Visas dydis

Leisti

Image
ir
Image
. Čia u yra judančios tvirtos sienos greitis, ir
Image
ir
Image
atitinkamai yra uždarojo skysčio slydimo kiekiai „I“ ir „II“ zonose, tai priklauso nuo skysčio sienos sąsajos šlyties stiprio šiuose dviejuose zonose ir veikimo būklės 21 . Čia, atsižvelgiant į tam tikras eksploatavimo sąlygas,
Image
ir
Image
yra atitinkamai pastovūs, ir, tikėtina, jų vertės pateikiamos iš anksto.
Image
ir
Image
yra be matmenų ir visiškai nesiskiria nuo tradiciškai apibrėžto (matmenų) slydimo ilgio, kuris buvo naudojamas matuoti tarpsluoksnio slydimo laipsnį 39 . Čia
Image
,
Image
, didesnis dydis
Image
arba
Image
žymi sunkesnį tarpslankstelinį slydimą „I“ arba „II“ zonose, o
Image
arba
Image
lygus vienybei rodo sunkiausią tarpfazinį slydimą „I“ arba „II“ zonose. Abu požymiai
Image
ir
Image
gali būti teigiamas ar neigiamas priklausomai nuo to, ar sąsajos slinktis padidina „Couette“ srautus „I“ ir „II“ zonose. Dėl
Image
,
Image
ir tarpslankstelinis „I“ potvynio slydimas padaro „Couette“ uždaro skysčio srautą didesnį nei tas, kuriame nėra paviršiaus sąsajos; Dėl to didesnis kontaktinis masės srautas ir dėl to didesnis guolio plėvelės slėgis ir guolio apkrova. Taigi,
Image
yra naudingas guolio apkrovai, tuo tarpu
Image
kenksmingi. Įtaka
Image
yra priešingai;
Image
yra naudingas guolio apkrovai, tuo tarpu
Image
kenksmingi.

Esant tam tikroms eksploatavimo sąlygoms, jei atsiranda paviršinis slydimas,

Image
ir
Image
buvo nustatyta, kad kontaktas, susidaręs iš dviejų lygiagrečių kietų plokštumų paviršių 21, 40, yra pastovus. Tai veda į pastovų
Image
ir
Image
esant tokiam kontaktui dėl tam tikros veikimo būklės. Be to, kai slydimo greitis u yra pakankamai didelis,
Image
ir
Image
atitinkamai gali būti laikomos konstantomis, nepriklausančiomis nuo u 40 .

Slėgis ir nešančioji apkrova

Dėl nuolatinio

Image

ir

Image
, pasak
Image
ir slėgio pasiskirstymas, parodytas 2 pav., gaunamas toks:

Image

Tai išspręsta iš Eq. (3) kad:

Image

Vieno kontakto ilgio apkrova, kurią neša guolis:

Image

Normalizavimas

Apibrėžkite šiuos be matmenų parametrus:

Image

Image
Image

Čia

Image
ir
Image
atitinkamai yra skysčio tankis ir klampumas aplinkos sąlygomis, kai skystis yra ištisinis;
Image
,
Image
ir
Image
ir
Image
atitinkamai yra kritinis uždaro skysčio plėvelės storis „I“ ir „II“ zonose, kad uždaras skystis tuose zonose taptų ištisinis per visą plėvelės storį.

Didžiausias slėgis be matmenų yra:

Image

Guolis nešiojamas be matmenų krovinys yra:

Image

Guolio laikomosios gebos mechanizmai

Anot Eq. (6), esamo guolio laikomosios galios mechanizmus galima nubrėžti taip:

  1. Jokio tarpfazinio slydimo, ty

    Image

    ,

    Image
    yra nustatomas pagal terminą
    Image
    . Tokiu atveju guolio laikomoji geba susidaro dėl skirtingo fizinio suvaržyto skysčio adsorbcijos ant nejudančių sienų paviršių atitinkamai „I“ ir „II“ zonose.

  2. Jei

    Image
    ,
    Image
    yra nustatomas pagal terminą
    Image
    kuris turėtų būti teigiamas. Šiuo atveju guolio laikomoji geba sukuriama dėl skirtingo paviršiaus slydimo atitinkamai „I“ ir „II“ zonose. For example, such a load-carrying capacity can be attained by respectively designing the low fluid-wall interfacial shear strength at the wall surface of the “a 1 ” subzone and the relatively high fluid-wall interfacial shear strength at the wall surface of the “a 2 ” subzone so that the fluid slippage respectively occurs at the “a 1 ” wall surface in the “I” subzone and at the moving wall surface in the “II” subzone. In this case,
    Image
    >
    Image
    21 . On the other hand, it is obtained that for the interfacial slippage in the “I” subzone helpful for the generation of the load-carrying capacity of the bearing,
    Image
    , otherwise
    Image
    ; While, for the interfacial slippage in the “II” subzone helpful for the generation of the load-carrying capacity of the bearing,
    Image
    , otherwise
    Image
    .

  3. Actually, the load-carrying mechanism of the bearing may be the combined effects of the physical adsorption, non-continuum and interfacial slippage of the confined fluid. The condition for the formation of the bearing is:

    Image
    . If
    Image
    , for
    Image
    =
    Image
    , the condition for the formation of the bearing is always satisfied and the load-carrying capacity of the bearing will be generated.

  4. Because

    Image
    ,
    Image
    ,
    Image
    ,
    Image
    ,
    Image
    ir
    Image
    21,

Image

(5) Optimum geometry of the bearing:

The optimum value of ψ for the maximum load-carrying capacity of the bearing is:

Image

In this optimum condition, the dimensionless load carried by the bearing is:

Image

kur

Image
.

Iš Eq. (10), it can be found that lower magnitudes of

Image
ir
Image
but higher magnitudes of
Image
ir
Image
gives higher load-carrying capacities of the bearing. For example, for a given film thickness h , increasing both the interaction strengths between the confined fluid and the “a 1 ” and “a 2 ” walls yields lower magnitudes of
Image
ir
Image
but higher magnitudes of
Image
ir
Image
11, 18, and it can thus increase the load-carrying capacity of the bearing.

Calculation

Parametrai

Image

ir

Image
are expressed as the following general form 41 :

Image

kur

Image
ir
Image
,
Image
,
Image
ir
Image
are respectively constants.

Parametrai

Image
ir
Image
are expressed as the following general form 41 :

Image

kur

Image
,
Image
ir
Image
are respectively constants.

Parametrai

Image
ir
Image
are expressed as the following general form 41 :

Image

kur

Image
,
Image
,
Image
ir
Image
are respectively constants.

Exemplary calculations were made. In these calculations, the interaction between the confined fluid and the wall in the “a 2 ” subzone is relatively weak, and the interaction between the confined fluid and the wall in the “a 1 ” subzone is respectively taken as medium-level and relatively strong. In the calculations,

Image
nm ,
Image
nm for the medium-level interaction between the confined fluid and the wall in the “a 1 ” subzone, and
Image
nm for the relatively strong interaction between the confined fluid and the wall in the “a 1 ” subzone. The values of
Image
ir
Image
were chosen according to the experimental observations 16, 20 . The values of the other parameters in the calculation are respectively shown in Tables 1, 2 and 3. The comparisons of the values of
Image
,
Image
,
Image
,
Image
,
Image
ir
Image
for different film thicknesses based on the input parameter values in Tables 1, 2 and 3 were shown in ref. 41. These dimensionless fluid rheological parameter values well agree with the experimental measurements and molecular dynamics simulation results 11, 12, 13, 14, 15, 16 .

Pilno dydžio lentelė

Pilno dydžio lentelė

Pilno dydžio lentelė

Rezultatai ir DISKUSIJA

Typical results

Figure 3 shows the values of

Image

for different film thicknesses when the interaction between the confined fluid and the wall in the “a 1 ” subzone is respectively relatively strong and medium-level. Vertė

Image
is independent on the interfacial slippage but heavily dependent on the interactions between the confined fluid and the walls in the “a 1 ” and “a 2 ” subzones. For a given nanometer-scale film thickness h , the increase of the adsorption of the confined fluid to the wall in the “a 1 ” subzone significantly increases the value of
Image
; While, the film thickness increase significantly reduces the value of
Image
.

Image
Image
is the optimum value of
Image
for the maximum load-carrying capacity of the bearing. Description: The value of
Image
is independent on the interfacial slippage but heavily dependent on the interactions between the confined fluid and the walls in the “a 1 ” and “a 2 ” subzones.

Visas dydis

Figure 4(a) plots the values of the dimensionless maximum load

Image
carried by the bearing (in the optimum condition) against the film thickness h for different positive values of
Image
ir
Image
when the interaction between the confined fluid and the wall in the “a 1 ” subzone is medium-level. Attend that in this figure
Image
. It means that the interfacial slippage in Fig. 4(a) is helpful for the generation of the load-carrying capacity of the bearing (according to Eq. (6)). This result is clearly shown by Fig. 4(a). The interfacial slippage in Fig. 4(a) can be attained when the fluid slippage is present at the whole stationary wall surface but absent at the whole moving wall surface (because of the strong interaction and consequently the high interfacial shear strength between the confined fluid and the moving wall). The mechanism of the increase of the load-carrying capacity of the bearing by the interfacial slippage in Fig. 4(a) is that for a given film thickness, the fluid mass flow rate in the Couette flow in the “I” subzone (into the bearing) is greater than that in the “II” subzone (out of the bearing) because
Image
but the density of the confined fluid in the “I” subzone is higher than that in the “II” subzone, this mass flow rate difference is increased with the interfacial slippage, for maintaining the flow continuity in the bearing, higher pressures must be generated respectively in the “I” and “II” subzones to produce the corresponding Poiseuille flows to balance the total mass flow rate through the bearing when the interfacial slippage is increased, thus the load-carrying capacity of the bearing is increased with the interfacial slippage.

Image
Image
and
Image
are respectively the relative slip amounts of the confined fluid in the “I” and “II” subzones. Description: For given values of
Image
ir
Image
, the film thickness reduction is shown to significantly increase the value of
Image
especially for very low film thicknesses.

Visas dydis

Figure 4(a) shows that for given values of

Image
ir
Image
, the film thickness reduction significantly increases the value of
Image
especially for very low film thicknesses. This is due to the increase of the non-continuum and physical adsorption effects of the confined fluid with the film thickness reduction. For very low film thicknesses, the strong non-continuum and physical adsorption effects of the confined fluid can greatly increase the load-carrying capacity of the bearing 21, 34 .

Figure 4(b) plots the values of the dimensionless maximum load

Image
carried by the bearing against the film thickness h for different negative values of
Image
ir
Image
when the interaction between the confined fluid and the wall in the “a 1 ” subzone is medium-level. The interfacial slippage in Fig. 4(b) is shown to be harmful for the generation of the load-carrying capacity of the bearing. It may be present when the fluid slippage occurs at the whole moving wall surface because of the weak interaction and then the low interfacial shear strength between the fluid and the moving wall. The mechanism of the interfacial slippage influence on the load-carrying capacity of the bearing in Fig. 4(b) is similar as in Fig. 4(a). In Fig. 4(b), for a given film thickness and negative values of
Image
ir
Image
, when the interfacial slippage is increased in both the bearing inlet and outlet zones, the (positive) difference between the fluid mass flow rate in the Couette flow in the “I” subzone and that in the “II” subzone is reduced because the entraining velocities
Image
ir
Image
both are reduced
Image
, for maintaining the flow continuity in the bearing, lower pressures are required to be developed respectively in the “I” and “II” subzones to produce the corresponding Poiseuille flows to balance the total mass flow rate through the bearing, thus the load-carrying capacity of the bearing is reduced with the increase of the interfacial slippage. Again, for given values of
Image
ir
Image
, the film thickness reduction significantly increases the value of
Image
especially for very low film thicknesses.

Figure 5(a) plots the values of the dimensionless maximum load

Image
carried by the bearing against the film thickness h for
Image
and different positive values of
Image
when the interaction between the confined fluid and the wall in the “a 1 ” subzone is relatively strong. The interfacial slippage in Fig. 5(a) is harmful for the generation of the load-carrying capacity of the bearing. It may be present when the fluid slippage is only present at the stationary wall surface in the “II” subzone because of the weak fluid-wall interaction and then the low fluid-wall interfacial shear strength there. In Fig. 5(a), for a given film thickness, the interfacial slippage increase enhances the entraining velocity
Image
and then the fluid mass flow rate in the Couette flow in the “II” subzone, for maintaining the flow continuity in the bearing, lower pressures are required to be generated respectively in the “I” and “II” subzones to reduce the magnitudes of the Poiseuille flows in these two subzones to balance the total mass flow rate through the bearing when the interfacial slippage is increased, thus the load-carrying capacity of the bearing is reduced with the interfacial slippage increase.

Image

( a )

Image
.
Image
and
Image
are respectively the relative slip amounts of the confined fluid in the “I” and “II” subzones. Description: For given values of
Image
ir
Image
, the film thickness reduction is shown to significantly increase the value of
Image
especially for very low film thicknesses. The comparison between Figs 4(a) and 5(a) as well as the comparison between Figs 4(b) and 5(b) show that for a given film thickness h and given values of
Image
ir
Image
, the increase of the interaction strength between the confined fluid and the wall in the “a 1 ” subzone significantly increases the value of
Image
especially when the film thickness is low.

Visas dydis

Figure 5(b) plots the values of the dimensionless maximum load

Image
carried by the bearing against the film thickness h for different negative values of
Image
ir
Image
when the interaction between the confined fluid and the wall in the “a 1 ” subzone is relatively strong. Similar as in Fig. 4(b), the interfacial slippage in this figure is harmful for the generation of the load-carrying capacity of the bearing.

The comparison between Figs 4(a) and 5(a) as well as the comparison between Figs 4(b) and 5(b) show that for a given film thickness h and given values of

Image
ir
Image
, the increase of the interaction strength between the confined fluid and the wall in the “a 1 ” subzone significantly increases the value of
Image
especially when the film thickness is low. This is due to the increasing non-continuum and physical adsorption effects of the confined fluid in the “I” subzone, which is very strong for low lubricating film thicknesses.

References 21 and 34 showed the carried loads of a nano step bearing in the optimum condition when the interfacial slippage was respectively artificially introduced and absent, by using the physical adsorption data of the confined fluid very close to those used in the present study. The comparison between the carried loads of that bearing and those of the present bearing shows that in the same operating condition, the maximum carried load of the present bearing (in the optimum condition) is comparable to that of a nano step bearing, although it is a bit lower than the latter. The advantages of the present bearing may be obvious: a bearing with a comparable load-carrying capacity but simple geometries and structures and the ensuing possible low costs of manufacturing.

Results for an exemplary bearing

For evaluating the performance of the present bearing, the results for an exemplary bearing are here given. The total width

Image

of this bearing is 20 μm . The used lubricant is a common oil with short-chain molecules and its viscosity at ambient condition is

Image
. The stationary wall surface in the “II” subzone is covered with a hydrophobic coating such as the material of PTFE (Polytetrafluoroetylene) so that the interaction between this wall surface and the lubricant is relatively weak; The physical adsorption data of the confined lubricant in the “II” subzone are assumed as those shown in Tables 1, 2, 3, and
Image
nm . The stationary wall surface in the “I” subzone is covered with a hydrophilic coating such as the material of TiO 2 so that the interaction between this wall surface and the lubricant is medium-level; The physical adsorption data of the confined lubricant in the “I” subzone are assumed as those shown in Tables 1, 2, 3 for the medium interaction, and
Image
nm . In this case, for
Image
nm , the optimum value (
Image
) of ψ for the maximum load-carrying capacity of the bearing is 1.53. For realizing this condition, here
Image
μm and
Image
μm . If
Image
mm / s and
Image
=
Image
= 0.25, when
Image
nm , the dimensional load ( w ) per unit contact length carried by the bearing in this optimum condition is 21.12 N / m .

Išvados

The paper proposes a novel nano bearing based on the different physical adsorptions of the lubricating film to the specific contact surfaces. The bearing is formed by two parallel smooth solid plane walls sliding against one another. Conventional hydrodynamic lubrication theory denied the formation of such a bearing.

Based on the flow factor approach model, an analysis was derived for the load-carrying capacity of this bearing. The condition for the formation of this bearing was derived to be:

Image

. The optimum geometry for the maximum load-carrying capacity and the corresponding carried load of the bearing were also derived. It was found that the mechanism of the load-carrying capacity of this bearing may actually be the combined effects of the physical adsorption, non-continuum and interfacial slippage of the confined fluid; Any of these three effects is able to generate a significant load-carrying capacity of the bearing when the operating condition is appropriate. For low lubricating film thicknesses, the load-carrying capacity of the bearing is comparable to that of a nano step bearing for the same operating condition, because of the strong physical adsorption and non-continuum effects of the confined fluid. The study shows potential application values of this bearing in micro mechanical systems.

Papildoma informacija

How to cite this article : Zhang, Y. Novel nano bearings constructed by physical adsorption. Mokslas. Rep. 5, 14539; doi: 10.1038/srep14539 (2015).

Papildoma informacija

PDF failai

  1. 1.

    Papildoma informacija

Komentarai

Pateikdami komentarą jūs sutinkate laikytis mūsų taisyklių ir bendruomenės gairių. Jei pastebite ką nors įžeidžiančio ar neatitinkančio mūsų taisyklių ar gairių, pažymėkite, kad tai netinkama.