静电力作用下微米颗粒沉积理论及实验研究

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微米级颗粒沉积在空间探测器、精密仪器、太阳能电池板等表面,很容易导致光学系统灵敏度下降、仪器失灵、太阳能电池板效率降低等问题,并进一步影响设备的性能可靠性,严重阻碍探月进程。因此如何有效防止微颗粒在星体探测器或太阳能电池板表面沉积成为各国研究的热点课题。表面粘附力是影响微颗粒沉积的重要因素。对于干燥环境中的微米级颗粒,表面粘附力主要包括范德华粘附力和静电粘附力。本文基于微米颗粒弹塑性碰撞理论和静电力理论,建立了微米颗粒静电力做功模型,形成了完善的带电微米颗粒碰撞沉积理论。根据理论模型开展仿真计算,探索带静电微颗粒的碰撞沉积特性,分析静电力作用对颗粒碰撞沉积的影响。设计实验方案开展有无静电力作用的微米颗粒沉积实验,研究静电力作用对微颗粒沉积的影响。研究结果可以为月球探测器或重要器件表面防尘技术发展提供理论支持。主要研究内容如下:(1)根据微颗粒充电方式建立均匀充电模型和接触充电模型,并根据电荷分布形式的不同建立相应的静电粘附力模型,讨论粒径、表面粗糙度、壁面材料等因素对静电力的影响,并比较两种充电方式下产生的静电力大小。计算结果表明静电力随粒径和表面粗糙度系数增大而增大,接触充电产生的静电力远大于均匀充电产生的静电力。(2)通过对碰撞恢复阶段静电力的位移进行积分,建立碰撞过程中的微颗粒静电力做功模型,将其与微颗粒弹塑性碰撞模型相结合,建立带电微米颗粒弹塑性碰撞与沉积模型,基于模型编写程序进行数值仿真计算,讨论带电微颗粒的碰撞沉积特性及静电力对微颗粒碰撞沉积的影响。结果表明考虑静电力作用能够更准确预测微米颗粒碰撞沉积特性,静电力作用对颗粒沉积的影响随粒径和表面粗糙度增大而减小,1-20μm沙尘与玻璃碰撞时,静电力影响程度最小为0.6%,与钢碰撞时最小为3.5%,与铝合金碰撞时最小为3%。(3)设计实验方案并搭建实验平台,开展有无静电力作用的微米颗粒沉积实验,观察不同粒径、不同工作角度和不同电压下试样表面的灰尘沉积量,探究各因素下静电力作用对微颗粒沉积的影响。结果表明静电力作用对颗粒沉积的影响随粒径增大而减小,随电压增大而增大,当工作角度为45°时,静电力影响最大。
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