咖啡环是生活中常见的自然现象,很多学者从理论、模拟和实验对此现象进行了深入研究,其机理日渐明朗并在众多领域有潜在应用。水平壁面上胶体液滴蒸发时内部流动携带微小颗粒靠近接触线钉扎,蒸发结束后所形成环状沉积结构称为“咖啡环”。胶体液滴蒸发时颗粒的自组装行为在许多领域有重要应用,例如:在生物医学领域,可以利用咖啡环现象诊断疾病、分选生物大颗粒、浓缩样品和增强分析信号等;在微电子领域也可以利用该现象制备微小电路和透明电电路;对咖啡环效应的抑制可以应用在喷涂领域,实现涂层的均匀分布。一些学者通过外场(声场、磁场、电场等)对颗粒进行操控,实现颗粒的精确沉积。通过液滴蒸发对颗粒进行组装不需要额外提供能量,其简单、易操作的特点吸引越来越多的人对该现象的进行研究。本文通过理论模型分析结合Matlab模拟,得出液滴恒接触面积蒸发过程中高度、接触角以及内部流速的变化,发现液滴的高度和接触角随时间线性减小;液滴内部流速从中心到边缘沿径向指数增加,并且任意位置流速随时间指数增大;在接近气液界面的区域受球冠结构的约束,竖直方向分速度会远大于径向分速度;考虑了理性状态下液滴蒸发造成温度变化引起Marangoni流动,Marangoni流动随着液滴蒸发慢慢减弱,蒸发结束前会消失;对于同一个液滴,考虑添加剂改变Ma数,Ma数越大Marangoni流动越剧烈。分析了液滴中悬浮颗粒的受力情况,其主要受到流动阻力的影响。采用微米级聚苯乙烯颗粒的悬浮液进行蒸干实验,利用倒置的显微镜观察颗粒的运动、颗粒在接触线处的行为以及蒸发结束的沉积图案。直径越小的颗粒咖啡环效应越明显,颗粒质量浓度太高或者太低都不会形成环形沉积。聚集在接触线上颗粒会向中心后退,出现逆咖啡环现象:接触角随时间而减小,气液界面挤压颗粒朝向液滴中心运动,粒径小的颗粒靠近接触线分布而粒径大的颗粒远离接触线,形成依据粒径大小的颗粒分离。颗粒并非在整个蒸发过程都满足楔形结构,当接触角减小到一定程度,气液界面对颗粒压力的向下分力过大时,造成气液界面变形而楔形结构破坏,并且颗粒粒径越大,脱离楔形结构越早。接触线附近的颗粒速度随时间指数增加,与模拟结果符合。探索了表面活性剂(十二烷基硫酸钠SDS)和酸碱度对沉积形态的影响。添加SDS溶液会使接触线处聚集的颗粒环铺展变宽,并且宽度随着SDS浓度的增加而增加。不同酸碱度会改变颗粒表面电荷,从而影响气液界面对颗粒的相互作用力,进而改变沉积形态。研究颗粒悬浮液液滴蒸发过程的微流运动涉及多个学科知识,在多个领域的潜在应用值得为之探索。本文通过理论分析、数值模拟和实验验证三个方面对咖啡环现象进行了系统的分析,其中添加SDS使咖啡环变宽的现象在之前的研究中并没有被发现,希望可以为胶体悬浮液的复杂沉积形态调控和未来实际应用提供相应参考。