許金凱，張林帥，彎艷玲，廉中旭，于化東

（長(zhǎng)春理工大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，長(zhǎng)春 130022）

超疏水表面由于其疏水、自潔、減阻、抗污染等性能，在生物醫(yī)用［1］、管道微流［2］、抗菌用品［3］、太陽(yáng)能電池板［4］等領(lǐng)域有著極為廣泛的應(yīng)用。金屬基超疏水材料是以金屬為基體，在其表面制備特殊粗糙結(jié)構(gòu)，再進(jìn)行低表面能物質(zhì)修飾，從而達(dá)到超疏水效果。金屬基超疏水材料由于使用金屬基體，在很大程度上保留了金屬的優(yōu)良性能，同時(shí)具備超疏水材料的功能［5］。目前金屬基體表面微納結(jié)構(gòu)的制備方法有：化學(xué)刻蝕方法［6，7］、熱氧化法［8］、電化學(xué)加工方法［9，10］、激光刻蝕法［11］、溶膠凝膠法［12，13］。但是，這些方法操作復(fù)雜或需要較為昂貴的設(shè)備，限制了金屬基超疏水表面的工業(yè)化生產(chǎn)。

高速電火花線切割是精密加工的一種，不僅適用于金屬表面的微細(xì)加工，且加工效率較高，具有優(yōu)于普通加工的優(yōu)勢(shì)。高速電火花線切割技術(shù)比較容易加工出兼具微米、納米復(fù)合結(jié)構(gòu)的金屬表面，且結(jié)構(gòu)尺寸大小可以通過(guò)調(diào)節(jié)加工參數(shù)進(jìn)行控制。本文通過(guò)電火花線切割加工技術(shù)，在銅基材料表面構(gòu)建復(fù)合粗糙結(jié)構(gòu)，經(jīng)自組裝技術(shù)處理后實(shí)現(xiàn)金屬基超疏水表面的制備。采用試驗(yàn)優(yōu)化方法對(duì)電火花線切割加工中的脈沖寬度、脈沖間隔和功率管等放電參數(shù)進(jìn)行了正交優(yōu)化，采用方差分析方法獲取超疏水銅表面的制備參數(shù)，并分析加工參數(shù)對(duì)銅基材料表面疏水性能的影響，為超疏水功能性銅表面的制備提供技術(shù)參考和理論支撐。

1 試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)材料和儀器

材料：黃銅；甲醇；全氟癸基三乙氧基硅烷；丙酮；無(wú)水乙醇；去離子水。

儀器：OCA20型視頻光學(xué)接觸角測(cè)量?jī)x（德國(guó)）、JMS-6700FI冷場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡（日本）、BK-240B超聲振蕩清洗儀、NB-9123A干燥箱、UNIPoL-802拋光機(jī)、DK7732電火花線切割機(jī)床。

1.2 試驗(yàn)方法

為保證加工表面的平整，采用拋光機(jī)對(duì)黃銅表面進(jìn)行拋光，然后在電火花線切割機(jī)床上進(jìn)行粗糙結(jié)構(gòu)的加工，加工后的試樣依次采用丙酮、無(wú)水乙醇、去離子水在超聲振蕩清洗儀中清洗。然后放置在質(zhì)量比為1：100的全氟癸基三乙氧基硅烷和甲醇混合溶液中，浸泡40min后取出，最后放入135℃的干燥箱中烘干40min待測(cè)。

1.3 測(cè)試與表征

采用視頻光學(xué)接觸角測(cè)量?jī)x測(cè)量試件表面的靜態(tài)接觸角和滾動(dòng)角，同一試樣選取5個(gè)不同的位置分別測(cè)量（水滴放置1min后進(jìn)行測(cè)量），取其平均值。水滴大小為5μL。滾動(dòng)角的測(cè)試方法采取先傾后滴法，即先將滾動(dòng)角測(cè)量滑臺(tái)傾斜適當(dāng)角度，然后讓水滴落在試件表面上，觀察水滴是否滑落表面，若滑落則記錄此時(shí)傾斜角度，即為所測(cè)滾動(dòng)角。采用掃描電子顯微鏡觀察樣品表面形貌。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 正交試驗(yàn)優(yōu)化及方差分析

電火花線切割機(jī)床在切割時(shí)，高頻率的連續(xù)放電會(huì)在工件表面產(chǎn)生微小的隕石坑，通過(guò)變化電火花線切割機(jī)床的脈沖寬度、脈沖間隔和峰值電流（功率管個(gè)數(shù)）等放電參數(shù)會(huì)形成不同的表面形貌，實(shí)現(xiàn)對(duì)加工表面的有效控制。為獲取最佳的超疏水表面加工參數(shù)，采用L9（34）正交表［14］優(yōu)化電火花線切割加工參數(shù)，以加工后的表面靜態(tài)接觸角（CA）為試驗(yàn)指標(biāo)值。

在電火花線切割黃銅表面時(shí)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)脈沖間隔為48μs，加工時(shí)會(huì)出現(xiàn)斷絲現(xiàn)象；而當(dāng)增大脈沖間隔至144μs時(shí)，加工速度會(huì)有明顯下降。此外，由于脈沖間隔對(duì)試樣表面形貌影響較小，且增大脈沖間隔時(shí)，試樣表面仍表現(xiàn)出超疏水性能。綜合考慮到電火花線切割機(jī)床的加工速度和效率，因素水平選取如表1所示，采用方差分析方法對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析，試驗(yàn)方案及結(jié)果見(jiàn)表2。

表1 因素水平表

表2中：yjk為第 j因素k水平時(shí)所對(duì)應(yīng)的試驗(yàn)指標(biāo)和；Δj為第 j因素的極差；Sf為列偏差平方和；Fj為因素的F比；aj為相應(yīng)因素的顯著水平；Se為誤差偏差平方和；f為誤差自由度；Sn為空列的偏差平方和。

由表2分析可知，脈沖間隔對(duì)試樣指標(biāo)的影響最大，功率管個(gè)數(shù)次之，脈沖寬度影響最小。本實(shí)驗(yàn)的最優(yōu)組合為A1B1C3，即當(dāng)脈沖寬度為32μs，脈沖間隔為128μs，功率管為2個(gè)時(shí)，試驗(yàn)指標(biāo)最好，置信度為90%。此時(shí)，試樣表面的接觸角為156.42°，滾動(dòng)角為3°。如圖1所示水滴在該試樣表面的形態(tài)呈球狀。此時(shí)試樣表面形成了隕石坑-突起復(fù)合結(jié)構(gòu)（圖2），由Cassie潤(rùn)濕機(jī)理可知［15］，當(dāng)水滴和試樣表面相接觸時(shí)，隕石坑-突起復(fù)合結(jié)構(gòu)可以捕獲了大量空氣，形成“氣墊”效應(yīng)，增大了水滴與空氣的接觸面積（水滴與空氣接觸面積占復(fù)合界面的86.51%），從而實(shí)現(xiàn)了超疏水性能。

圖1 水滴在銅表面的接觸狀態(tài)

表2 試驗(yàn)方案及方差分析

此外，在電火花線切割加工參數(shù)對(duì)銅表面疏水性能影響的正交試驗(yàn)中，樣品表面的接觸角除個(gè)別試樣外均大于150°，說(shuō)明了電火花線切割加工和自組裝技術(shù)相結(jié)合對(duì)超疏水銅表面的制備具有很好的適用性，為超疏水功能表面的工業(yè)化生產(chǎn)提供了技術(shù)參考。此外，將加工的試樣放在空氣中3～4個(gè)月后，接觸角測(cè)量結(jié)果未發(fā)生明顯變化，表明了制備的超疏水銅表面具有良好的穩(wěn)定性。

2.2 各因素對(duì)表面靜態(tài)接觸角的影響規(guī)律

為研究各因素對(duì)試件表面靜態(tài)接觸角的影響規(guī)律，根據(jù)正交試驗(yàn)結(jié)果分別以靜態(tài)接觸角CA為指標(biāo)繪制成圖3所示曲線。

圖3為各個(gè)因素水平對(duì)試件表面靜態(tài)接觸角的影響規(guī)律。由圖3（a）可知，當(dāng)脈沖寬度在16～32μs范圍變化時(shí)，隨著脈沖寬度的增加，試樣表面的接觸角增大。分析其原因，在電火花線切割加工過(guò)程中，當(dāng)脈沖寬度較小時(shí)，脈沖放電能量較小，試樣表面產(chǎn)生的隕石坑尺寸較小，試件表面的質(zhì)量較好，其表面粗糙程度不高；當(dāng)脈沖寬度增加時(shí)，切割速度增加，但表面質(zhì)量下降，試件表面的隕石坑直徑和表面峰谷間距均增大，而突起數(shù)目減少，獲得了超疏水表面所需的粗糙結(jié)構(gòu)，且隨著粗糙度的增加，接觸角變大，在氟化處理后，表面呈現(xiàn)疏水性。

由圖3（b）可知，當(dāng)脈沖間隔在64～128μs范圍變化時(shí)，隨著脈沖間隔的增大，接觸角增大，但兩者呈非線性變化。在電火花線切割加工過(guò)程中脈沖間隔影響電蝕物的排出，過(guò)小的脈沖間隔會(huì)導(dǎo)致電蝕物的堆積，不僅影響加工精度，而且容易斷絲。因此，在電火花加工疏水物質(zhì)表面時(shí)，選擇合適的脈沖間隔是獲得超疏水表面的條件之一，也是保證加工精度和加工效率的有效手段。

由圖3（c）可知，隨著功率管個(gè)數(shù)的增加，試樣表面的接觸角減小。這是因?yàn)椋?dāng)功率管個(gè)數(shù)較少時(shí)，單個(gè)脈沖能量越小，在銅表面產(chǎn)生的放電痕較小，隕石坑的間距變小，但間徑比有可能提高，試件單位面積儲(chǔ)存空氣的能力得到提高，故試件表面接觸角增大。由單因素試驗(yàn)可知，當(dāng)脈沖寬度為32μs，脈沖間隔為128μs，當(dāng)功率管為2個(gè)時(shí)，試樣表面的隕石坑尺寸小，突起較多，表面峰谷最大間距約為26.30μm。而當(dāng)功率管個(gè)數(shù)為6時(shí)，試樣表面的隕石坑結(jié)構(gòu)較大，表面峰谷最大間距增大到33.36μm。

綜上所述，在電火花加工過(guò)程中，加工參數(shù)直接影響試件表面的微觀結(jié)構(gòu)，而微觀結(jié)構(gòu)是超疏水表面制備的重要因素之一，只有一定尺度和比值的微觀結(jié)構(gòu)才可以形成超疏水性表面。

3 結(jié)論

通過(guò)改變電火花線切割加工參數(shù)可以實(shí)現(xiàn)銅表面復(fù)合粗糙結(jié)構(gòu)尺寸和疏水性能的加工控制，為確定超疏水銅表面的最佳加工參數(shù)，通過(guò)正交試驗(yàn)方法優(yōu)化了超疏水銅表面的加工工藝，并分析了電火花線切割機(jī)床的脈沖寬度、脈沖間隔和功率管個(gè)數(shù)與黃銅表面疏水性能的關(guān)系，結(jié)論如下：

（1）脈沖間隔對(duì)試樣指標(biāo)的影響最大，功率管個(gè)數(shù)次之，脈沖寬度影響最小。當(dāng)脈沖寬度為32μs，脈沖間隔為128μs，功率管為2個(gè)時(shí)，制備的銅表面接觸角最好為156.42°，并具有良好的時(shí)間穩(wěn)定性。

（2）水滴在銅表面的超疏水狀態(tài)源于電火花加工過(guò)程在試樣表面形成的隕石坑-突起復(fù)合結(jié)構(gòu)能捕獲大量的空氣，在銅表面形成了“氣墊”效應(yīng)，從而增大了水滴與空氣的接觸面積。

綜上所述，在電火花加工過(guò)程中，為獲得較好的疏水性能，必須嚴(yán)格控制電火花線切割加工參數(shù)，但由于電加工過(guò)程中復(fù)雜的加工機(jī)理以及不同超疏水形貌結(jié)構(gòu)參數(shù)的要求，還需要更多的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)來(lái)驗(yàn)證和歸納電火花線切割技術(shù)加工超疏水表面的工藝參數(shù)和基本規(guī)律。

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