【摘 要】
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润湿现象是自然界中普遍存在的现象,固-液界面之间的润湿行为在一定程度上影响着材料的制备与使用性能。非晶合金作为一种新型材料,具有高强度、高耐腐蚀性和良好的生物相容
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润湿现象是自然界中普遍存在的现象,固-液界面之间的润湿行为在一定程度上影响着材料的制备与使用性能。非晶合金作为一种新型材料,具有高强度、高耐腐蚀性和良好的生物相容性等优点,其表面的润湿行为在生物医学等领域具有潜在的应用价值。然而,非晶合金表面的润湿性研究国内外鲜有报道,从理论和应用角度讲,非晶合金表面润湿行为的研究都具有重要意义。本文采用分子动力学模拟方法,以Cu-Zr合金为研究对象,开展了以下研究:1.研究了SPC/E(Extended Simple Point Charge)模型水滴在Cu50Zr50非晶薄膜表面,Cu Zr(100)和(110)晶体薄膜表面的润湿行为与铺展过程。计算了水滴的铺展半径与润湿角随时间的变化关系,并对吸附层结构进行了分析。结果表明,水滴在Cu50Zr50非晶薄膜表面上的铺展速度明显快于两个晶面,水滴在非晶和晶态合金表面的铺展半径与时间都符合幂指数关系,R7?t。在Cu50Zr50非晶合金表面的铺展过程中有明显的吸附层形成,水分子吸附层呈现完全无序的排列方式;而在晶态薄膜表面,水滴铺展前沿呈脚状形态,特别是(100)晶面,水滴的吸附层水分子排列呈高度的有序化状态。在非晶薄膜表面,吸附层内水分子方向倾向平行于表面,而晶态基底上吸附层内的水分子倾向于指向水滴内部。因此,非晶表面吸附层中的水分子与水滴内部以平均相对较弱的氢键相互作用,而在晶态表面这种相互作用则表现得较强,导致晶态表面上的吸附层较强地抑制着水滴内部的铺展过程。2.研究了Cu50Zr50非晶合金和Cu Zr(100)晶体的纳米刻槽结构表面的水润湿行为。结果表明,对于非晶与晶体表面,槽内的铺展速度都大于光滑表面的铺展速度,而后者大于纳米结构表面槽面上的铺展速度,并且两者槽内铺展半径Rf与时间t都遵循幂指数关系,Rf 3?t。对于纳米结构的Cu50Zr50非晶合金薄膜,槽内吸附层中水分子呈现无序的排列方式,且分子方向φ的分布以及铺展速度与纳米结构尺寸无关。对于纳米结构的Cu Zr(100)晶体薄膜表面,槽内水分子方向和铺展速度与几何尺寸存在明显依赖关系。晶态基底表面的吸附层中水分子呈有序排列,吸附层内水分子方向的差异将影响表面水分子和内部水分子之间的氢键相互作用,从而对水滴整体的铺展过程产生影响。如果吸附层水分子方向更多地指向基底,则会造成吸附层与内部水分子形成氢键的几率较小,吸附层与内部水之间的键合减弱,导致后续水分子铺展较快。另外,吸附势能的大小也反映着水分子与基底结合的紧密程度,势能面较高会导致水分子铺展较快。
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