界面粘性行為
關注創建者：大平-結構工程 創建時間：2020-09-08
界面粘性行為的實例教程
項目難點：
1、GFRP板與混凝土接觸設置；
2、界面粘性行為設置；
3、后處理分析。
若有興趣，可加我QQ2170453510。
【引言】
固體-液體界面在許多化學、物理和生物過程中扮演著至關重要的角色，但由于缺少可同時對固體和液體組分適用的高分辨表征手段，至今仍然阻礙著科研人員對這一界面進行全面深入的研究。例如在鋰金屬的枝狀沉積和固體-電解質界面膜（SEI）的形成是影響鋰金屬電池性能和安全的決定性因素，然而直接觀測這些界面卻存在很大的難度，致使圍繞界面行為展開的研究一直是人們爭論的熱點。
【成果簡介】
近日，康奈爾大學的Lena F. Kourkoutis（通訊作者）課題組采用冷凍電鏡技術觀察到了鋰金屬電池中界面膜和枝晶的納米級結構并以此全面深入地理解了發生在該界面的化學過程。該研究通過快速冷凍液體成分（玻璃化液體電解質），獲得了自然狀態下鋰金屬電池中的界面膜結構，之后再利用冷凍掃描透射電鏡技術（cryo-STEM）可對這些界面進行結構和化學圖譜（mapping）表征。實驗表征結果發現，在鋰金屬電池負極共存著兩種不同類型的枝狀物，其中一種擁有外延的SEI層，而另一種枝狀物則由鋰的氫化物組成，這一不同枝狀物的共存現象可能為電池容量減少的機理解釋提供有力的證據支持。該文也闡明了冷凍電鏡技術在探測功能器件界面過程的研究中具有潛在的應用價值。2018年8月15日，相關成果以題為“Cryo-STEM mapping of solid–liquid interfaces and dendrites in lithium-metal batteries”的文章在線發表在Nature上。
展開 界面科學是連接物理、化學、生物和材料科學的重要交叉領域，其中液-液界面（特別是水-油界面）因其獨特的物理化學性質而成為研究熱點。在該界面體系中，乳液（如乳狀液、微乳液）的形成與穩定性是核心科學問題之一。近年來，一種特殊的結構——位于水-油界面的油包水（W/O）液滴——因其獨特的靜態與動態行為引起了廣泛關注。盡管宏觀尺度的實驗觀測和連續介質理論模型（能夠描述水油界面中油包水液滴的整體運動行為，但要深刻揭示其微觀起源和分子機制，分子動力學模擬是不可或缺的關鍵研究手段。
在Material Studio軟件中，我們可以通過構建W/O界面，并在足夠的動力學模擬來解釋其在分子層面上的運動行為。通過分子動力學的模擬，可以像“超高倍顯微鏡”一樣，實時、原位地追蹤單個分子或離子在油-水界面及油膜中的擴散、穿梭和吸附/脫附過程。同時，在模擬過程中，可以研究不同邊界條件下水油界面中油包水液滴的運動行為。
首先，采用MS中的AC模塊及Build Layer工具構建分子模型，完成水油界面及油包水結構的構建，為后續計算提供輸入文件。隨后在Dynamic模塊中進行動計核優化，實現對結構的能量最小化操作，減少建模過程中的能量不平衡及消除內應力。
在此之后，通過Dynamic的過程，實現對油水界面的動態行為模擬。可以看到，隨著模擬時間的推進，體系能量逐漸達到平衡。
觀察分子模型，可以明確的看到水球逐漸進入水層，但仍然有部分水分子在油相中。這與油水界面中油包水模型的實際情況相符。實驗觀察發現，當W/O液滴被注入或自發形成于水-油界面時，它們可以穩定地“錨定”在界面上，形成一個部分浸入水相、部分浸入油相，并被一層薄油膜與水相隔開的非對稱結構。
展開 本文基于室內試驗結果，建立了土工格柵-土界面直剪的三維離散元數值模型，研究了剪切方向和雙向土工格柵各向異性對土工格柵-土界面抗剪強度特性的影響。重點分析了不同剪切方向下土工格柵的內力分布特征和筋-土強相互作用區域內顆粒間法向接觸力的演化。根據不同的接觸力分量將剪切方向上的剪切阻力量化為填料間摩擦阻力、土工格柵-填料間摩擦阻力和土工格柵肋條承載阻力，并基于土工格柵縱、橫肋兩個方向在相同拉應變條件下的拉伸剛度和拉伸強度，提出了雙向土工格柵正交各向異性程度評價指標，量化評估了雙向土工格柵的各向異性程度與肋條承載阻力對筋土界面抗剪強度的貢獻。
論文主要研究結論：
1. 在沿肋條方向上剪切時，雙向土工格柵縱肋與橫肋的拉伸作用和肋條承載作用區別明顯。而45°剪切方向上雙向土工格柵縱、橫肋均可發揮被動承載作用，導致筋-土界面抗剪強度高于沿縱肋（0°）或橫肋（90°）方向上的抗剪強度。
2. 剪切方向對剪切帶中填料顆粒間的法向接觸力幅值有一定影響，但對其法向接觸力主方向影響較小。剪切過程中，45°剪切方向剪切帶中的平均法向接觸力略大于其他兩個剪切方向的平均法向接觸力。
3. 界面剪切強度隨著雙向土工格柵各向異性的增加而降低，并且隨著土工格柵異性的增加，其影響變得更小。
4.對于粗粒料，雙向土工格柵的肋條承載阻力對筋-土界面抗剪強度的貢獻大于土工格柵-土摩擦阻力的貢獻。并且雙向土工格柵的各向異性對土工格柵肋條的承載阻力有重要影響，對筋-土界面摩擦阻力的影響較小。
展開 軟質凝膠態（左）和硬質玻璃態（右）下界面接觸力學行為
通過對滑動界面原位加熱和冷卻，可以實現摩擦系數的動態可逆調控，且這種可切換的潤滑行為在寬載荷范圍內始終是有效的；特別是，研究人員發現隨著法向載荷的增大，這種典型的潤滑調控行為更加的明顯，界面最大接觸應力甚至可達~7 MPa。理論模擬結果表明這種顯著的潤滑轉變行為主要歸因于以模量動態演變為主的自適應接觸機制，可通過結合接觸態演化、非變形耗散和分子鏈機械俘獲3大機制得到很好解釋。作為這種智能材料的概念驗證，研究人員開發了智能型水凝膠子 彈進行固體穿刺測試，沖擊試驗結果表明相變硬化的水凝膠子 彈（同軟態凝膠子 彈對比）其穿透力更強，這得益于低摩擦狀態下界面較小的運動阻力。最終，研究人員通過結合界面濕黏附化學發展了一種智能潤滑貼片，并通過程序化機械手臂精確測量了這種智能貼片表面摩擦狀態的轉變信號；成功將該貼片組裝于運動模型裝備（如坦克履帶、潛水艇）表面，實現了基于界面潤滑轉變行為的運動行為智能控制。
圖2. MALH智能潤滑材料的仿生學設計過程
圖3. MALH智能潤滑材料的制備過程和界面潤滑調控機制
圖4. MALH智能潤滑材料力學的熱致調控
圖5. MALH智能潤滑材料的響應性潤滑調控行為
圖6. MALH智能子 彈的穿刺行為
圖7.
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DEM Study on Shear Behavior of Geogrid-Soil Interfaces Subjected to Shear in Different Directions
作者：Yafei Jia, Jun Zhang*, Xiaoyi Chen, Chenxi Miao, Yewei Zheng**
軟物質濕滑材料在受力剪切條件下通常會發生嚴重的彈性變形，這不僅對滑動界面實現低摩擦狀態不利，而且會引起材料力學疲勞甚至結構破壞，加速磨損的產生。在確保界面高度水化的條件下，如何抵制軟物質材料的彈性變形，實現潤滑、承載和抗磨的統一，對于認識界面接觸力學與潤滑行為的科學關系以及開發仿生智能軟體機器人具有重要意義。
項目難點：
1、GFRP板與混凝土接觸設置；
2、界面粘性行為設置；
3、后處理分析。
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【引言】
固體-液體界面在許多化學、物理和生物過程中扮演著至關重要的角色，但由于缺少可同時對固體和液體組分適用的高分辨表征手段，至今仍然阻礙著科研人員對這一界面進行全面深入的研究。例如在鋰金屬的枝狀沉積和固體-電解質界面膜（SEI）的形成是影響鋰金屬電池性能和安全的決定性因素，然而直接觀測這些界面卻存在很大的難度，致使圍繞界面行為展開的研究一直是人們爭論的熱點
