两个球形颗粒表面之间液体桥的动态挤压

《Journal of Colloid and Interface Science》：Dynamic squeezing of liquid bridge between two spherical particle surfaces

液桥力学、接触角滞后、粘滞力主导、力-距离关系、颗粒材料、动态挤压、表面张力、几何参数、多相流、离散元模拟

　　这项研究聚焦于液桥的力学行为，尤其是其在压缩过程中的演变特性。液桥作为毛细现象的重要表现形式，在理解湿润颗粒材料的特性方面具有关键的理论意义。此前的研究主要集中在静态力分析和拉伸测试，然而这些成果在解释湿润颗粒材料在压缩过程中毛细力的演变方面存在局限性。因此，本研究旨在深入探讨固液相互作用机制，并为开发液桥在压缩条件下的力学模型提供理论支持。

湿润颗粒材料广泛应用于多个领域，如材料科学、生物医学和地质工程等。由于液桥的存在，两个湿润颗粒之间的接触位置会形成液桥，并在连接的固体颗粒之间产生相互作用力。这种相互作用力能够显著影响湿润颗粒材料的流动特性以及强度特性，例如沙堡现象就是其中的典型例子。因此，对液桥问题进行深入研究，有助于理解湿润颗粒材料在宏观尺度上的行为，并揭示其背后的固液相互作用机制。

从文献来看，已有大量关于液桥相关问题的研究，包括液桥流动与稳定化、接触角滞后效应、液桥力的表达与破裂判据、液桥蒸发以及液体的转移与再分布等。这些研究在理解液桥引起的自然现象方面发挥了重要作用。液桥研究的尺度可以从毫米级延伸到纳米级，其形状在很大程度上受到固体表面几何形状的影响。为了解决具体的研究问题，学者们通常采用特殊的固体表面几何结构，如两片非平行板、球与板、锥与板等。本研究主要关注两个刚性球形颗粒之间的液桥，因为球形颗粒更接近自然界中沙和粉末等颗粒的真实接触形态。通过这种方式获得的结果，可以为液桥效应在颗粒群中的分析（如粉体材料的聚集）提供基础数据。

尽管液桥研究已有数十年的历史，但在压缩条件下的液桥力学响应仍未被完全阐明。目前尚无适用于压缩-平衡阶段的力学模型，以解释液桥力的变化。本研究首先提出了测量颗粒间液桥力的方法，提取液桥几何参数，并计算毛细力。其次，通过图像分析，研究了在分离距离减少过程中液桥形态的演变，重点关注几何参数的变化。此外，还阐明了液桥力在动态压缩与静态平衡过渡过程中的基本机制，并分析了液桥力随时间演变的特征模型。最后，对液桥体积和初始分离距离对液桥力变化的影响进行了系统评估与讨论。

在实验部分，研究使用了乙二醇作为实验介质，以减少蒸发效应。通过液桥力测试系统，对两个球形颗粒之间形成的液桥进行了交替的动态压缩和静态平衡实验。该系统包括四个核心组件，其中力测量模块采用了电子天平（FA1004型，Licheng Instrument Technology Co., Ltd.），具有精确的测量能力，能够捕捉液桥力的微小变化。图像处理技术被用于准确获取液桥的几何参数。通过对液桥形态随时间变化的特征进行系统分析，研究揭示了液桥在不同压缩阶段的演变规律。

在实验过程中，观察到接触角滞后效应对液桥形态演变具有重要影响。当分离距离减少时，液桥的几何参数呈现出明显的三阶段演变。在静态平衡状态下，液桥力表现出两阶段增长模式：初始阶段快速增加，随后增速减缓，最终稳定在一个高于压缩前的力值范围内。值得注意的是，液桥力的变化幅度主要由压缩过程中几何参数的变化决定。接触角滞后效应在液桥的动态压缩和拉伸过程中扮演了关键角色，影响了液桥的形状和力的分布。

研究发现，在动态压缩过程中，粘性力成为主导的界面力，其动态变化幅度大于毛细力，导致液桥力显著降低。而在静态平衡阶段，液桥力呈现出两阶段增长模式：快速上升阶段后，增速减缓，最终稳定在某个范围内。这一现象表明，液桥力的变化不仅与液桥的几何形态有关，还受到接触角滞后效应的调控。因此，理解液桥力的演变机制对于揭示湿润颗粒材料的宏观行为具有重要意义。

此外，研究还探讨了液桥体积和初始分离距离对液桥力变化的影响。通过系统分析，研究发现液桥体积的增加会导致液桥力的变化更加显著，而初始分离距离的减小则会加快液桥力的上升过程。这些发现为构建更精确的液桥力学模型提供了依据，并有助于优化湿润颗粒材料的工程应用。

本研究的实验设计充分考虑了实际条件下的液桥行为，特别是在压缩和拉伸过程中液桥力的动态变化。通过精确的测量和图像分析技术，研究不仅验证了接触角滞后效应的存在，还揭示了其对液桥形态和力的显著影响。实验结果表明，在压缩过程中，液桥的几何形态会发生明显变化，而液桥力则呈现出复杂的演变模式。这些变化不仅影响液桥的稳定性，还可能改变颗粒之间的相互作用力，从而影响整个湿润颗粒材料的力学性能。

在实验过程中，研究还采用了多种先进的技术手段，如高精度平衡、纳米多功能测试机等，以确保实验数据的准确性和可靠性。这些设备能够精确测量液桥力的微小变化，并捕捉液桥形态的细微特征。通过这些实验手段，研究不仅获得了液桥力的演变规律，还验证了接触角滞后效应在液桥行为中的重要性。此外，研究还探讨了液桥在不同压缩阶段的力变化机制，为构建更全面的液桥力学模型提供了理论支持。

本研究的成果不仅丰富了液桥力学的理论体系，还为实际工程应用提供了重要的参考价值。例如，在粉体材料的加工、输送和储存过程中，液桥力的变化可能影响材料的聚集和稳定性。因此，理解液桥力的演变机制对于优化粉体材料的处理工艺具有重要意义。此外，在生物医学和地质工程等应用领域，液桥力的变化可能影响材料的流动性和结构稳定性，因此需要深入研究其影响因素。

研究还指出，尽管已有大量关于液桥的研究，但这些研究大多集中在拉伸测试，而对压缩过程中液桥力的演变机制关注不足。因此，本研究通过引入动态压缩与静态平衡相结合的实验方法，填补了这一研究空白。实验结果表明，在压缩过程中，液桥力的变化不仅与液桥的几何形态有关，还受到粘性力和毛细力的共同影响。这种复杂的相互作用机制需要通过更精细的实验和分析手段加以揭示。

在结论部分，研究强调了液桥拉伸测试在研究液桥行为中的重要性，然而液桥在压缩过程中的行为具有显著不同，如液桥力与分离距离之间的关系，这一关系受到接触角滞后效应的强烈影响。此前的研究主要集中在两片平板之间的接触角滞后效应，而本研究首次对球形颗粒之间的液桥行为进行了系统分析，揭示了液桥力在不同压缩阶段的演变规律。这些发现为构建更精确的液桥力学模型提供了依据，并有助于深入理解湿润颗粒材料的宏观行为。

总体而言，本研究通过系统的实验和分析，揭示了液桥在压缩过程中的力学特性，特别是液桥力的变化机制。研究结果不仅丰富了液桥力学的理论体系，还为实际工程应用提供了重要的参考价值。未来的研究可以进一步探索液桥在不同材料和环境条件下的行为，以拓展液桥力学的应用范围。此外，结合大数据分析和人工智能技术，可以开发更高效的液桥力预测模型，为工程实践提供更精确的指导。