本發(fā)明涉及分子動力學(xué)，尤其涉及一種通過改變傳熱特性調(diào)控鋁液與固體界面黏附力的方法。

背景技術(shù)：

1、鋁作為工業(yè)發(fā)展的基礎(chǔ)原材料，被廣泛應(yīng)用于國家安全、交通運(yùn)輸、新能源、電子電力等各個領(lǐng)域，因此對鋁的需求大幅增加。然而，原鋁在自然界中無法直接使用，需要從鋁土礦混合物中冶煉提取后才能被應(yīng)用。在電解鋁生產(chǎn)過程中，熔融的鋁液經(jīng)常會粘附在設(shè)備內(nèi)壁上，隨著時間的推移，液態(tài)鋁與固態(tài)界面的附著會越來越明顯，從而降低設(shè)備生產(chǎn)率，導(dǎo)致所生產(chǎn)的鋁質(zhì)量下降。因此，解決鋁液-固界面的粘附問題將大大提高鋁的產(chǎn)量和質(zhì)量，從而減少能源損耗。

2、為了減少液固界面的黏附，有人根據(jù)自然界中存在的疏水表面來改變液體黏附的固體表面形貌，而對動植物關(guān)于疏水性能的研究有荷葉效應(yīng)、水稻葉片、鳥蟬翅膀等，這些研究領(lǐng)域都模擬出良好的減摩降黏效果。

3、有學(xué)者在研究過程中發(fā)現(xiàn)，分子動力學(xué)可以模擬液固界面黏附現(xiàn)象，并且發(fā)現(xiàn)液固界面的黏附和液體的潤濕性直接相關(guān)，該方法具有節(jié)省資源且效率高等特點(diǎn)。gao等通過建立聚二甲基硅氧烷-二氧化硅模型得到一般情況下固體表面對液體的潤濕性越好，則其黏附力越強(qiáng)。liu等人研究發(fā)現(xiàn)，隨著體系溫度的升高，固體表面缺陷越大，液體/固體界面黏附力越大。lv等人發(fā)現(xiàn)石墨表面的凹槽會阻礙鋁的擴(kuò)散，當(dāng)鋁液滴在石墨表面時黏附力降低。lai通過原子力顯微鏡觀察了基底溫度對不同濕度下兩個硅晶片表面之間黏附力的影響，發(fā)現(xiàn)平均黏附力隨著基底溫度的升高而降低，這是由于高溫脫羥基導(dǎo)致界面水膜厚度減小，從而導(dǎo)致硅/硅界面的黏附力降低。he等人研究了單層和雙層石墨烯與二氧化硅基底之間的溫度變化與黏附性能的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)當(dāng)溫度從300k逐漸升高到500k時，由于界面原子的熱弛豫，石墨烯與基底晶格的失配增加，導(dǎo)致黏附能降低。lai在濕潤環(huán)境下測量了兩個固體表面之間的黏附力隨溫度變化的趨勢，發(fā)現(xiàn)黏附力隨溫度升高先增大后減小。qing計算了液態(tài)al/α-a12o3的界面能和黏附能，發(fā)現(xiàn)當(dāng)溫度從950k升高到1250k時，出現(xiàn)了從非潤濕到潤濕的轉(zhuǎn)變，這是由于溫度升高引起了α-a12o3中鋁原子的蒸發(fā)和氧原子的擴(kuò)散，導(dǎo)致界面能降低，從而導(dǎo)致al液體對α-a12o3表面的潤濕性變化。cong等人研究了在973k至1273k溫度下鋁液與碳化硅基底的潤濕性，結(jié)果表明，隨著溫度的升高，接觸角(ca)從125°減小到57°，實(shí)現(xiàn)了從非潤濕到潤濕的過渡。

4、然而，液體在固體表面的潤濕性通常和能量的變化有關(guān)，液固界面能量的研究起初是由kapitza在研究低溫條件液體氦-金屬界面時發(fā)現(xiàn)的，后來pollack利用聲學(xué)失配模型將液固界面熱阻定義為聲子密度的函數(shù)，并且swartz等進(jìn)一步將聲子看作可以在界面?zhèn)鞑セ蚍瓷涞钠矫娌ā４撕髮τ诮缑鏌嶙柽M(jìn)行了大量的研究，kim等關(guān)于界面熱阻的研究發(fā)現(xiàn)其是表面潤濕性、熱振蕩頻率、壁溫、熱梯度以及通道的函數(shù)；xue等的模擬研究表明液固原子間結(jié)合鍵的強(qiáng)度決定了界面熱阻，界面熱阻與液固原子間弱鍵結(jié)合(非潤濕性)強(qiáng)度呈現(xiàn)指數(shù)依賴，而強(qiáng)鍵結(jié)合(潤濕性)強(qiáng)度呈現(xiàn)冪指數(shù)依賴關(guān)系；kim等針對液固界面熱阻建立了一維晶格振動模型，得到界面熱阻與固液分子熱振蕩頻率之比的4次方成正比；ramos-alvarado等在研究界面熱傳輸與潤濕時發(fā)現(xiàn)兩者之間并沒有普遍存在的關(guān)系，并且在模擬晶態(tài)/非晶態(tài)硅與水之間的熱傳導(dǎo)時發(fā)現(xiàn)不同的聲子模式對其影響不同，其中低頻聲子在親水界面對熱傳遞起主導(dǎo)作用，而在疏水界面的熱傳遞逐漸轉(zhuǎn)移到高頻聲子；goicochea等研究發(fā)現(xiàn)，石英-水界面之間的熱傳遞可以通過固體表面功能化生長納米柱來調(diào)節(jié)石英表面原子的振動頻率，且這些納米柱的高度和密度增加會增大界面導(dǎo)熱系數(shù)；qian等通過模擬咪唑液體-石墨烯之間的熱傳遞，發(fā)現(xiàn)分子取向(咪唑環(huán)與石墨烯的平行度)是控制界面間熱傳遞的一個關(guān)鍵因素；等人根據(jù)液固界面的熱流譜分析不同振動模式對能量傳遞的貢獻(xiàn)，界面熱能傳遞由布里淵區(qū)邊界的表面模式主導(dǎo)，并沿面外極化。

5、上述文獻(xiàn)關(guān)于液體/固體界面潤濕性的研究主要集中在高溫下觀察到的現(xiàn)象，同時這些研究也表明液體/固體界面黏附涉及能量轉(zhuǎn)換。但液態(tài)鋁黏附在低于鋁熔點(diǎn)溫度的固體基底上時，其熱傳遞機(jī)制尚不明確。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種通過改變傳熱特性調(diào)控鋁液與固體界面黏附力的方法。

2、為解決上述問題，本發(fā)明所述的一種通過改變傳熱特性調(diào)控鋁液與固體界面黏附力的方法，包括以下步驟：

3、⑴以一塊固體鋁作為探針，分別以一塊固體硅和一塊固體鋁作為基底，分別組成鋁-鋁系統(tǒng)、鋁-硅系統(tǒng)；不同系統(tǒng)中所述探針和所述基底的初始狀態(tài)均為固體狀態(tài)，且所述探針在不同系統(tǒng)中始終保持大小不變；

4、⑵建立由探針和基底組成的分子動力學(xué)液固黏附模型：

5、在所述鋁-鋁系統(tǒng)或所述鋁-硅系統(tǒng)的x軸方向和y軸方向上設(shè)置周期性邊界條件，z軸方向設(shè)置自由邊界條件；

6、系統(tǒng)模擬在微正則系綜中進(jìn)行弛豫，在正則系統(tǒng)中進(jìn)行鋁液融化及黏附狀態(tài)分析，溫度由berendsen恒溫器調(diào)控；

7、所有鋁原子之間的相互作用采用eam(embedded?atomic?method?potential)作用勢；所有硅原子之間的相互作用采用stillinger-weber作用勢；

8、所述探針和所述基底之間采用lennard-jones作用勢；

9、鋁和硅之間的勢阱常數(shù)εij以及初始平衡距離σij采用下述幾何平均混合公式計算得到：

10、和

11、式中：εi為鋁原子間的勢阱常數(shù)，單位mev；εj為硅原子間的勢阱常數(shù)，單位mev；σi為鋁原子間的平衡距離，單位nm；σj為硅原子間的平衡距離，單位nm；

12、⑶初始狀態(tài)的系統(tǒng)先弛豫100ps，當(dāng)系統(tǒng)達(dá)到平衡后，對固體鋁探針進(jìn)行加熱使其融化；然后將完全融化后的熔融鋁黏附在固體基底上，測量液固界面間的黏附力；

13、⑷執(zhí)行模擬過程并處理數(shù)據(jù)：

14、對液固界面的能量傳遞過程分析，同時對黏附過程中的界面熱導(dǎo)率進(jìn)行計算，并提取界面處液體接觸固體基底的聲子譜，分析接觸界面不同情況下探針鋁液和固體基底之間黏附力變化時熱能傳遞效率與聲子譜之間的關(guān)系。

15、所述步驟⑴中鋁基底和硅基底的原子從下到上均分為固定層、調(diào)溫層和牛頓層。

16、所述步驟⑷中執(zhí)行模擬過程并處理數(shù)據(jù)的具體過程如下：

17、①保持鋁探針的原子數(shù)不變，將探針鋁融化后使其保持在工業(yè)電解鋁中，并采用溫度為1143k的熔融態(tài)鋁液，然后將鋁液黏附在不同固體基底，分析基底溫度從50k到400k變化時，液固界面的黏附力變化；

18、②分析鋁液黏附在不同固體基底上時不同溫度變化下黏附力與液固界面接觸角度之間的關(guān)系，驗(yàn)證計算模型的正確性；

19、③對穩(wěn)態(tài)黏附過程中的界面能量輸運(yùn)進(jìn)行分析，從液固界面之間的溫度變化得到界面熱導(dǎo)率，以及由于能量變化引起的固體基底聲子譜的變化，分析不同狀態(tài)下接觸界面的黏附力變化與界面熱導(dǎo)率以及聲子譜的關(guān)系。

20、所述步驟⑷中執(zhí)行模擬過程并處理數(shù)據(jù)還包括：不同固體基底在溫度從50k到400k的變化過程中，計算不同接觸狀態(tài)下液固界面的接觸角度變化，分析黏附力變化與接觸角度變化之間的關(guān)系。

21、所述步驟⑷中執(zhí)行模擬過程并處理數(shù)據(jù)還包括：不同固體基底溫度變化時，從探針鋁液溫度和固體基底溫度的變化計算鋁液在固體表面穩(wěn)態(tài)黏附時的界面熱流，分析鋁液黏附在不同固體基底時熱能傳遞到基底速率。

22、所述步驟⑷中執(zhí)行模擬過程并處理數(shù)據(jù)還包括：在固體基底接收到來自鋁液的能量后，計算基底原子的動能以及勢能變化，分析能量對固體基底的影響。

23、所述步驟⑷中執(zhí)行模擬過程并處理數(shù)據(jù)還包括：根據(jù)固體基底吸收能量后原子的不同表現(xiàn)，從固體基底原子的均方差位移進(jìn)一步分析熱能對固體基底原子的影響，判斷不同溫度下固體基底原子是處于振動模式還是擴(kuò)散模式。

24、本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有以下優(yōu)點(diǎn)：

25、1、本發(fā)明在模擬過程中發(fā)現(xiàn)當(dāng)固體基底溫度從50k上升到400k時，鋁液黏附在固體鋁基底上的黏附力大于鋁液黏附在固體硅基底上的黏附力，且鋁液黏附在固體鋁基底的黏附力呈現(xiàn)先下降后上升的非單調(diào)變化，在固體硅基底上的黏附力則呈現(xiàn)單調(diào)下降的趨勢。

26、2、本發(fā)明通過測量液固界面的靜態(tài)接觸角發(fā)現(xiàn)，鋁液與固體鋁之間的接觸角先上升后下降，鋁液與固體硅之間的接觸角隨著基底溫度變化逐漸增大，從而證明了接觸角越小，液固界面的潤濕性越強(qiáng)，其界面黏附力越大，也證明了本發(fā)明所建立的模擬模型的準(zhǔn)確性。

27、3、為了證明鋁液黏附在不同固體基底上的黏附力變化與熱導(dǎo)率的關(guān)系，本發(fā)明通過熱導(dǎo)率計算發(fā)現(xiàn)：隨著基底溫度的升高，界面熱導(dǎo)率逐漸下降，且鋁液與固體鋁之間的熱導(dǎo)率大于鋁液與固體硅之間的熱導(dǎo)率，從而表明鋁液在固體鋁上的黏附性能強(qiáng)于在固體硅上的黏附性能。

28、4、為了確定能量變化對基底原子的影響，本發(fā)明結(jié)合基底原子能量(動能與勢能)的變化和基底原子的均方差位移變化，得到固體鋁基底在較低溫度與鋁液黏附時，其表面保持完整，并通過吸收來自鋁液的能量引起基底原子的振動；而在較高溫度下，固體鋁基底原子的晶格破壞，部分原子處于擴(kuò)散狀態(tài)；固體硅基底在50k到400k的溫度變化范圍內(nèi)，其基底表面保持完整，原子始終處于微小的振動狀態(tài)。

29、5、為了確定黏附力變化與能量傳遞的關(guān)系，本發(fā)明對不同基底溫度下硅原子和鋁原子的聲子譜進(jìn)行了計算，計算結(jié)果表明隨著基底溫度的升高，主導(dǎo)熱能傳遞的低頻聲子減少，從而導(dǎo)致基底接收的能量減少，即界面黏附力減小；但是當(dāng)鋁基底處于較高溫度時，由于晶格破壞產(chǎn)生了缺陷，且缺陷隨著溫度升高逐漸增大，進(jìn)而導(dǎo)致了黏附力增大。