催化层作为燃料电池的核心部件是电化学反应发生的主要场所，决定了电化学反应快慢及燃料电池性能。通常采用不同配方通过搅拌或超声振荡等方法制备催化剂浆料后，再通过涂刷或喷涂的方法制备多孔催化层，进一步制成燃料电池，催化层的性能依靠电池性能测试来考量。然而，这种方法不仅效率低，且仅能获得宏观性能好坏，并不能为高效催化层的制备提供理论指导，而只有建立催化层制备工艺与微结构和性能之间的关系方可达到目的。作为制备多孔催化层的首要步骤，催化剂浆料制备过程至关重要。目前涉及催化剂浆料制备过程的理论研究极为欠缺，亟需开展催化剂浆料制备过程中各组分在内力和外力作用下的团聚和分散机制及调控方法的研究，为高性能燃料电池生产提供理论指导。同时，该过程涉及剪切流中纳米颗粒流固耦合运动机制，相关研究也具有重要的学术价值。
　　本文以燃料电池催化剂浆料制备中常用的碳黑颗粒作为研究对象，从介观角度探究碳黑颗粒间相互作用机制，分析碳黑颗粒以及颗粒群受流体剪切作用的影响，明确剪切流动下碳黑颗粒以及颗粒群团聚与分散机制，揭示流动特性、颗粒尺寸、溶剂类型等对系统分散性、颗粒团聚体数量及尺寸、系统相对有效粘度等团聚特性以及流变特性的影响，为催化剂浆料制备提供指导性的研究成果。本文的主要研究工作及成果如下：
　　①采用格子玻尔兹曼方法、Lees-Edwards边界以及周期性边界构建了剪切流动模型，结合平滑轮廓法进一步构建了流固相互作用模型。在此基础上，应用DLVO理论，考虑了颗粒间吸引力和排斥力，从而构建了颗粒间相互作用模型。模拟了剪切流下双颗粒运动行为，发现当颗粒雷诺数大于某一临界值时两颗粒碰撞后分离，低于该临界值时颗粒将发生团聚现象，在水、乙醇、异丙醇溶剂中颗粒分离或团聚的临界颗粒雷诺数分别为0.8、0.18、0.6。与传统碰撞模型偏离实际物理观测现象不同的是，DLVO模型可正确反映溶剂对颗粒运动行为的影响。
　　②在颗粒间相互作用模型的基础上，采用加和原则构建了多颗粒流固耦合模型。通过对不同颗粒雷诺数下水性和非水性系统的颗粒分布云图、颗粒团聚体数量、颗粒团聚体内颗粒的数量、颗粒团聚体结构的平均颗粒度、系统相对有效粘度等进行分析，发现颗粒雷诺数的升高有利于提高系统的分散性和相对有效粘度。随着颗粒雷诺数的升高，颗粒团聚体数量增多，团聚体体积减小，颗粒团聚体内部孔隙率升高；当颗粒雷诺数高于临界值时，变化趋势渐缓。
　　③在多颗粒流固耦合模型的基础上，进一步考虑了颗粒体积分数和颗粒半径对系统团聚特性以及流变特性的影响。发现颗粒体积分数的增加不利于颗粒在系统内分散，导致系统的相对有效粘度的增加。随着颗粒体积分数的增加，颗粒团聚体数量增多，团聚体内颗粒逐渐连接紧密。保证颗粒数量不变情况下，提高颗粒半径也不利于颗粒在系统内分散，使系统的相对有效粘度增加。相反，保证颗粒体积分数不变，提高颗粒半径则有利于提高系统的分散性，系统内部结构随着颗粒半径的增加，由团簇网状结构发展为颗粒团聚体分散式分布结构。