扭转型泰勒-库埃特高剪切流体动力学方法用于二维材料剥离

《INTERNATIONAL JOURNAL OF MECHANICAL SCIENCES》：Novel Torsional Taylor–Couette High-Shear Hydrodynamic Approach for 2D Materials Exfoliation

　　

本研究引入一种新型可放大的扭转型泰勒-库埃特（TTC）转子-定子加工系统。该方法在转子与定子间维持边界层主导流动，在宽操作范围内产生高且可控的剪切场。该系统用于层状材料的液相剥离（LPE），LPE作为生产二维（2D）材料的可放大路线被广泛探索，其中基于剪切的方法在大规模加工中尤为可行。所提出的转子-定子系统由紧密排布的交替静止与旋转圆盘组成，在盘间隙中产生高剪切流场以实现层状材料剥离。研究人员采用基于瞬态雷诺平均纳维-斯托克斯（RANS）方程的计算流体动力学（CFD）模拟表征系统内的流体动力学与剪切场，针对1000至7000 rpm转速及石墨-水混合物（体积浓度1–4%）进行评估。结果预测系统产生平均剪切率约8.7×103至5.8×104 s?1，超过石墨及二硫化钼（MoS?）、二硫化钨（WS?）、黑磷（BP）等层状材料的剥离阈值。此外，提高石墨浓度使壁面剪切应力增强约40%，并促进剪切率空间分布更均匀。

研究背景与动机

自2004年石墨烯被发现以来，石墨烯、二硫化钼（MoS?）、氮化硼（BN）等二维（2D）纳米材料因优异的电学、光学、热学与力学性质成为材料科学焦点。二维材料的制备分为自下而上（如化学气相沉积、外延生长）与自上而下路线，其中液相剥离（LPE）凭借可放大潜力成为大规模生产少层至单层纳米片的重要自上而下方法。基于剪切的LPE技术（如剪切混合、高压均质化HPH、微流化、湿法喷射研磨及传统泰勒-库埃特（TC）流动）通过流体动力学剪切克服层间范德华键，避免了超声空化导致的缺陷问题。已有研究确立石墨剥离临界剪切率γ?_min≈10⁴ s^?1，并扩展至MoS?（3×10⁴ s^?1）、WS?（3.5×10⁴ s^?1）、黑磷BP（1.25×10⁴ s^?1）等。传统TC反应器虽能产单层石墨烯，但受限于批式操作（≤500 mL）与转速（≤3000 rpm）；HPH与微流化虽连续且通量高，但高剪切仅局限于阀口或微通道微小区域，需多次循环，能效低。因此，亟需一种在较大活性区域提供充足剪切、兼容大体积分散液且可连续运行的新LPE路线。研究人员在《INTERNATIONAL JOURNAL OF MECHANICAL SCIENCES》提出扭转型泰勒-库埃特（TTC）转子-定子系统以应对上述矛盾。

主要关键技术方法

研究人员采用商业有限体积完全可压缩CFD求解器（ANSYS Fluent）进行瞬态RANS模拟，选取k?ω剪切应力输运（SST）与雷诺应力模型（RSM）捕捉转子-定子间隙内强剪切各向异性湍流；为降本，取单组转子-定子圆盘的三维角向切片并施周期边界条件。几何参数：盘间隙h=0.5 mm，高宽比AR=h/R_o=0.01，转速1000–7000 rpm对应旋转雷诺数Re=ΩR_o²/ν?2.1×10⁵–1.5×10⁶，属Daily-Nece分类中Regime III（小AR高Re湍流、边界层合并）。工质为石墨-水混合物（浓度1–4 vol%），近壁分辨率满足边界层求解要求，通过网格无关性与模型验证后开展参数化分析。

研究结果

1. 2.
   Novel torsional Taylor-Couette hydrodynamic processing technique（新型扭转型泰勒-库埃特流体动力学加工技术）
   研究人员设计由紧密交替静止（定子）与旋转（转子）圆盘构成装置，悬浮液轴向泵入中心、径向流出外缘。转子旋转赋予邻域流体切向速度，定子因无滑移近零切向速度，0.5 mm间隙内形成边界层主导库埃特速度剖面V_θ(z)，局部剪切率γ?≈?V_θ/?z，牛顿浆料中剪切应力τ≈μγ?。高剪切区遍布间隙近壁处，层状颗粒随流经过时受粘滞剪切超越层间键而剥离为少层纳米片。该盘式构型有效剪切面积随盘数线性扩展，区别于传统双圆柱TC的窄环隙限制，支持连续运行与模块化放大。
2. 3.
   Numerical Methodology（数值方法）
   研究人员用ANSYS Fluent进行瞬态RANS模拟，对比k?ω SST（擅长近壁梯度）与RSM（捕捉各向异性）两湍流模型；定义单盘组三维角向切片计算域与周期边界，时间步满足CFD稳定性，空间离散采用适宜格式，近壁y⁺解析边界层；通过网格无关性测试与文献/解析解验证框架可靠性，再用于水-石墨混合物高剪切模拟。

模拟结果表明：1000–7000 rpm下系统平均剪切率约8.7×10³–5.8×10⁴ s^?1，全面覆盖石墨（10⁴ s^?1）及MoS?、WS?、BP临界值；石墨浓度由1 vol%增至4 vol%时壁面剪切应力提升约40%，且剪切率空间分布均匀性改善。流动属Regime III湍流，边界层合并下仍维持高梯度剪切带。

讨论与结论翻译

讨论指出，临界剪切率虽为剥离基准，但峰值剪切率不足以反映材料受剪体积与均匀性，故本研究着重分析TTC系统内剪切率分布——其通过多盘堆叠在扩展区域内提供高于阈值的剪切体积，规避了传统TC批式小体积与HPH局部高剪切需多次循环的弊端。结论：扭转型泰勒-库埃特（TTC）转子-定子构型在1000–7000 rpm、1–4 vol%石墨-水条件下可产生8.7×10³–5.8×10⁴ s^?1平均剪切率，超越多种层状材料剥离阈值；提高浓度增强壁面剪切应力约40%并匀化剪切分布；该边界层主导盘式流动将有效剪切面积随盘数线性放大，确立高剪切剥离系统新设计范式，兼具连续运行、大分散体积与可控剪切优势，为二维材料规模化液相剥离提供新路径。