同種材料顆粒接觸起電機(jī)理實(shí)驗(yàn)與理論研究.pdf

1、顆粒接觸起電是一個(gè)普遍的自然現(xiàn)象，發(fā)現(xiàn)已有近三千年的歷史。然而，接觸起電機(jī)理，特別是同種材料接觸起電機(jī)理尚不明確，包括顆粒接觸面間轉(zhuǎn)移電荷的種類、電荷轉(zhuǎn)移驅(qū)動(dòng)力、電荷轉(zhuǎn)移量以及影響電荷轉(zhuǎn)移量的關(guān)鍵因素等仍不十分明確。因此，使得目前仍無(wú)法準(zhǔn)確地掌握由于顆粒帶電引起的顆粒系統(tǒng)（如，風(fēng)沙流系統(tǒng)）輸運(yùn)特征的改變規(guī)律；另一方面，使得基于電磁波遙感技術(shù)的監(jiān)測(cè)結(jié)果受帶電顆粒系統(tǒng)影響規(guī)律仍不能準(zhǔn)確掌握，等等。本博士論文圍繞同種材料顆粒接觸起電機(jī)理展開(kāi)實(shí)

2、驗(yàn)和理論研究，主要工作和結(jié)果為：
　　首先，開(kāi)展了同種材料顆粒流輸運(yùn)過(guò)程中顆粒帶電量的實(shí)驗(yàn)研究。實(shí)驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，無(wú)論是沙粒流還是PMMA球形顆粒流，在輸運(yùn)過(guò)程中顆粒都一定程度的帶電，且顆粒平均帶電量均為負(fù)值；帶電量的大小與顆粒粒徑、輸運(yùn)槽的傾角以及環(huán)境濕度相關(guān)；顆粒粒徑越大，顆粒平均帶電量越大，平均面電荷密度越??；相對(duì)濕度在20％-80%范圍內(nèi)時(shí)，PMMA球形顆粒帶電量隨相對(duì)濕度增加而減小。
　　其次，開(kāi)展了同種材料的球-板靜

3、壓接觸、球-球靜壓接觸、球-球碰撞接觸以及摩擦帶的實(shí)驗(yàn)研究。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，球-板靜壓、碰撞和摩擦以及球-球碰撞均使得顆粒帶有一定程度的電量，其帶電量的大小與靜壓接觸力以及摩擦過(guò)程中壓力和摩擦距離、以及碰撞相對(duì)速度正相關(guān)；另外，實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)帶電量的大小與顆粒的幾何尺寸以及相對(duì)幾何尺寸相關(guān)，帶電量的極性與材料有關(guān)；通常情況下，幾何尺度大的帶正電、幾何尺度相對(duì)較小的帶負(fù)電；但是，有的材料卻不同，例如對(duì)于PA材料，PA球-板、球-球接觸后，幾何尺度

4、大的帶負(fù)電、幾何尺度小的帶正電；無(wú)論是球-板靜壓接觸、碰撞接觸還是摩擦接觸以及球-球碰撞接觸，接觸面積差越大則接觸帶電量越大。
　　基于實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果，發(fā)現(xiàn)，顆粒接觸起電量與尺寸、相對(duì)濕度等相關(guān)?；谙鄬?duì)應(yīng)變差與碰撞電面電荷密度正相關(guān)關(guān)系這一實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，并考慮接觸面上電荷隨機(jī)分布以及兩相平衡中的壓力、溫度、表面吸附能與顆粒表面離子數(shù)的關(guān)系，本論文以兩球形顆粒接觸面應(yīng)變差為電荷轉(zhuǎn)移驅(qū)動(dòng)力，提出了兩顆粒正碰撞接觸電荷轉(zhuǎn)移量的數(shù)學(xué)模型；該模

5、型表明，兩顆粒碰撞接觸帶電量與顆粒幾何尺寸、相對(duì)幾何尺寸、碰撞速度、環(huán)境濕度、溫度以及顆粒材料表面吸附能相關(guān)；通過(guò)基于該模型的計(jì)算發(fā)現(xiàn)：接觸電量隨接觸顆粒粒徑比增大先增大后減?。浑S碰撞速度增大而增大；而接觸電量隨溫度和相對(duì)濕度的變化規(guī)律受表面吸附能取值的影響，呈現(xiàn)出不同的規(guī)律。
　　最后，論文對(duì)上述模型進(jìn)行了驗(yàn)證及推廣。通過(guò)將實(shí)驗(yàn)所得的同種材質(zhì)的球-球碰撞帶電量隨顆粒相對(duì)尺寸、相對(duì)碰撞速度以及環(huán)境相對(duì)濕度的變化規(guī)律與上述模型計(jì)算結(jié)