陳志, 吳程, 顏昭君, 周洪冰

(中南大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院,長(zhǎng)沙 410083)

超疏水表面是近年來(lái)被廣泛研究的一種仿生功能表面,最早發(fā)現(xiàn)于一些生物表面,如荷葉、豬籠草、玫瑰花瓣、水黽等。科學(xué)家們將靜態(tài)接觸角大于150°,滾動(dòng)角小于10°的表面稱為超疏水表面[1]。這種表面對(duì)水的抗拒性使其具有許多優(yōu)良的特性,如自清潔能力、減霜防冰能力、流體減阻能力、油水分離能力等。因此,超疏水表面被廣泛應(yīng)用于飛機(jī)機(jī)翼防覆冰、輪船減阻、武器裝備防腐蝕等,提高了相關(guān)產(chǎn)品的可靠性和安全性,具有廣泛的應(yīng)用前景[2-3]。

超疏水表面制備一般包括兩個(gè)步驟:一是在材料表面構(gòu)造粗糙結(jié)構(gòu),二是利用一些試劑降低材料表面的自由能。常見(jiàn)的超疏水表面制備方法包括:涂層法(靜電涂覆、粉末噴涂、化學(xué)沉積等)、模板法(光刻法、熱壓印等)和蝕刻法(激光刻蝕、化學(xué)刻蝕等)[4-6]。Zheng等[7]采用層層組裝法,用漆酚-銅納米納米顆粒(U-Cu),通過(guò)U-Cu與PVP之間的氫鍵和配位,制備出了超疏水表面,最大接觸角達(dá)到152°,具有特殊的活性和抗菌作用;Yeganeh等[8]以鎂合金為基體材料,采用化學(xué)沉積法,使用氯化銅溶液、硫酸鎳溶液及硬脂酸溶液成功制備了超疏水表面,最大接觸角可達(dá)152°,在不同的PH值條件下接觸角保持穩(wěn)定;Mohamed等[9]以棕櫚酸作為超疏水性材料,將蛋殼提取物作為添加劑,利用電化學(xué)沉積法,成功在銅表面制備了松果狀的微納米結(jié)構(gòu),且制備出的超疏水膜表現(xiàn)出優(yōu)異的力學(xué)性能和化學(xué)穩(wěn)定性;Credi等[10]利用摻雜了低表面能有機(jī)物的全氟化高聚物,利用高分辨率3D打印與軟光刻技術(shù)相結(jié)合的方法,將微結(jié)構(gòu)印入龐大的單片聚合物中,成功制備了具有超疏水性的器件表面,使其具有優(yōu)異的自清潔能力;Zhu等[11]以粗糙玻璃為基體材料,采用刻蝕法制備出了具有較好耐磨性能的超疏水性聚四氟乙烯薄膜,最大接觸角可達(dá)153°;?emaitis等[12]以不銹鋼為基體材料,利用超短脈沖激光誘導(dǎo)表面產(chǎn)生周期表面結(jié)構(gòu)(LIPSS)和納米柱,成功制備出超疏水表面,并指出表面微結(jié)構(gòu)對(duì)材料超疏水性能的重要影響。上述方法都成功制備了超疏水表面或表面涂層,但是制備工藝較為復(fù)雜,制備效率低,超疏水表面耐磨性差,且需要較為昂貴的設(shè)備支持,限制了金屬基超疏水表面的工程推廣應(yīng)用。

電火花加工的工件表面會(huì)形成無(wú)數(shù)各向異性的放電凹坑/凸起,可為構(gòu)建粗糙表面提供基礎(chǔ)條件,一些學(xué)者在采用電火花加工方法制備超疏水表面方面做了一定研究,Qiu等[13]以鎂合金為基體材料,采用高速電火花線切割加工以及硬脂酸溶液修飾表面成功制備出超疏水表面,最大接觸角達(dá)到153°,且具有較好的耐磨性。于福鑫[14]以鈹銅為基體材料,采用電火花成型加工以及氟化劑處理得到了超疏水表面,具有較好的減阻性能。上述研究證明了電火花加工可以制備超疏水表面,但是采用硬脂酸修飾和氟化劑處理工藝復(fù)雜,化學(xué)試劑容易分解導(dǎo)致超疏水性能喪失。

本文提出電火花線切割單步制備表面織構(gòu)和放電凹坑/凸起表面形貌形成多級(jí)分層結(jié)構(gòu)獲得超疏水表面的新方法,主要研究?jī)?nèi)容包括:研究電火花線切割加工工件表面織構(gòu)設(shè)計(jì)與制備,獲得不同表面織構(gòu)設(shè)計(jì)模型的實(shí)際表面織構(gòu)幾何尺寸;建立電火花線切割加工多級(jí)分層結(jié)構(gòu)的固液接觸角仿真分析模型,預(yù)測(cè)得到不同表面織構(gòu)的固液接觸角,并分析表面織構(gòu)類型和尺寸對(duì)固液接觸角的影響規(guī)律;開(kāi)展電火花線切割加工工件表面固液接觸角的實(shí)驗(yàn)研究,驗(yàn)證接觸角仿真分析模型的有效性。

1 平面切割的工件表面特性分析

1.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備與工件材料

實(shí)驗(yàn)所用的工件材料為260 mm×260 mm×5 mm的鋁基碳化硅(SiCp/Al)板,SiC顆粒的體積分?jǐn)?shù)為65%,SiC顆粒之間在5～50 μm之間。電火花線切割設(shè)備如圖1所示。實(shí)驗(yàn)采用電極絲為直徑0.25 mm的黃銅絲,以去離子水為工作液。實(shí)驗(yàn)檢測(cè)儀器設(shè)備包括高溫接觸角測(cè)量?jī)x,超景深光學(xué)顯微鏡和掃描電子顯微鏡。電火花線切割加工超疏水表面織構(gòu)采用交流高能量加工,開(kāi)路電壓為35 V,脈沖持續(xù)時(shí)間與間隔時(shí)間分別為300 ns和15 μs,起弧時(shí)間與斷弧時(shí)間都設(shè)定為15 μs,伺服電壓為40 V,電極絲張力設(shè)為1 400 g,切割速度為18 mm2/min。

圖1 AU300i型慢走絲線切割機(jī)圖Fig.1 AU300i type slow-walking wire cutting machine

1.2 工件表面特性分析

1) 工件表觀接觸角

表觀接觸角是指通過(guò)一般(宏觀)的接觸角測(cè)量技術(shù)觀測(cè)得到的接觸角數(shù)值,很大程度上受到液滴與固體表面形成的三相線的影響。本實(shí)驗(yàn)開(kāi)始前先利用上述電火花線切割加工參數(shù)在SiCp/Al板上直線切割出一個(gè)平面,并用接觸角測(cè)量?jī)x進(jìn)行了接觸角測(cè)量,得到了SiCp/Al板在該切割條件下的表觀接觸角為75.5°,如圖2所示。

圖2 平面切割工件表面表觀接觸角Fig.2 Surface apparent contact angle of plane-cut workpiece

2) 工件表面的微觀形貌

采用掃描電子顯微鏡對(duì)電火花線切割加工后的工件表面進(jìn)行觀測(cè),記錄工件表面的微觀結(jié)構(gòu)圖像,掃描電鏡的放大倍數(shù)為500×,1 000×,5 000×,如圖3所示。

如圖3a)所示,工件表面存在大量的多孔狀結(jié)構(gòu),這些多孔結(jié)構(gòu)一部分是在工件鑄造成形時(shí)產(chǎn)生的,另一部分是在電火花線切割過(guò)程中氣體進(jìn)入熔化的工件材料造成的。工件表面鑲嵌有一些SiC顆粒,這是因?yàn)镾iC顆粒的熔點(diǎn)遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于鋁,當(dāng)鋁熔融時(shí),SiC顆粒仍然是固體且不導(dǎo)電,這些SiC顆粒只能通過(guò)傳熱來(lái)熔融脫落去除[15]。如圖3b)所示,SiCp/Al復(fù)合材料表面分布著大量的凹坑和凸起。其中一部分是由電火花線切割過(guò)程中表面材料的熔化和汽化形成的,另一部分是由SiC顆粒脫落形成的。如圖3c)所示,SiCp / Al復(fù)合材料表面存在大量的孔洞和突觸,尺寸大約為為50 nm～4 μm和10～20 μm。其中一部分突觸含有形成的氧化物,另一部分則是由熔融的鋁重新粘附到材料表面而形成的重鑄層。由SEM圖像可以發(fā)現(xiàn),電火花線切割加工有無(wú)數(shù)的放電凹坑/凸起,構(gòu)成了微納米級(jí)的多級(jí)分層結(jié)構(gòu),這是構(gòu)建超疏水表面的基礎(chǔ)條件。

3) 電火花線切割加工的放電間隙

電火花加工時(shí),由電極絲脈沖放電引起工件局部位置產(chǎn)生高溫高壓環(huán)境對(duì)工件材料進(jìn)行蝕除加工,因此,電火花線切割加工時(shí)會(huì)產(chǎn)生一定的尺寸偏差。在電極絲加工路徑上,工件的加工縫隙會(huì)比電極絲直徑略大一些,利用電火花線切割得到的SiCp/Al板在超景深光學(xué)顯微鏡下進(jìn)行尺寸測(cè)量,得到電火花線切割加工在該加工參數(shù)下的電極絲放電間隙為0.025 mm,即在0.25 mm電極絲加工時(shí),工件的切割寬度為0.3 mm。

2 主級(jí)表面織構(gòu)尺寸設(shè)計(jì)與預(yù)測(cè)

2.1 主級(jí)表面織構(gòu)尺寸設(shè)計(jì)

本次研究開(kāi)展3種表面織構(gòu)的設(shè)計(jì)研究,截面形狀包括三角形、梯形、矩形,結(jié)構(gòu)參數(shù)如圖4所示。

圖4 3種表面織構(gòu)的結(jié)構(gòu)參數(shù)示意圖Fig.4 Schematic diagram of structural parameters of three surface textures

表面織構(gòu)的具體設(shè)計(jì)尺寸如表1所示。三角形表面織構(gòu)由等腰三角形組成,設(shè)計(jì)參數(shù)包括底邊(la)和高(ha);梯形表面織構(gòu)由等腰梯形組成,設(shè)計(jì)參數(shù)包括底邊(lb)、底角(θb)和間距(xb) ,且上底邊長(zhǎng)設(shè)計(jì)為下底邊長(zhǎng)的一半;矩形表面織構(gòu)的設(shè)計(jì)參數(shù)包括底邊(lc)、高(hc)和間距(Dc)。

表1 3種表面織構(gòu)尺寸設(shè)計(jì)表Tab.1 Table of three surface texture size design

2.2 主級(jí)表面織構(gòu)實(shí)際尺寸預(yù)測(cè)

根據(jù)表2中的表面織構(gòu)設(shè)計(jì)尺寸結(jié)合電極絲放電間隙預(yù)測(cè)工件表面織構(gòu)的加工后尺寸如表2所示,并用這些數(shù)據(jù)進(jìn)行固液接觸角的仿真。

表2 3種表面織構(gòu)尺寸預(yù)測(cè)表Tab.2 Table of three surface texture size prediction

3 多級(jí)分層結(jié)構(gòu)固液接觸角仿真

3.1 固液接觸角理論

19世紀(jì)初托馬斯·楊提出了光滑水平理想表面上的固液接觸角方程,稱為楊氏方程[16],表達(dá)式為

(1)

式中:θY代表液體的本征接觸角;γ、γSL、γSA分別為液/氣、固/液以及固/氣之間的表面張力。

楊氏模型只適用于理想表面,而實(shí)際的表面都是粗糙的。對(duì)于表面積大于光滑表面的粗糙表面,文獻(xiàn)[17]認(rèn)為液體會(huì)與整個(gè)表面接觸并完全滲透到表面的腔體中,液滴的表觀接觸角θ和液滴在光滑表面上的本征接觸角θS與該表面的粗糙度因子有關(guān),則

cosθ=rcosθS

(2)

式中表面粗糙度r定義為材料幾何表面積與實(shí)際表面積的比值。

而Cassie模型[18]認(rèn)為,粗糙表面上的液滴擴(kuò)散破壞了固氣界面,形成了固液界面與氣液界面,此時(shí)粗糙表面的表觀接觸角θ和本征接觸角θS可表示為

cosθ=-1+fS(cosθS+1)

(3)

式中fS為粗糙表面上與液體接觸的面積分?jǐn)?shù)。

上述3個(gè)接觸角模型能夠較好的揭示單級(jí)結(jié)構(gòu)的固液接觸機(jī)制,但不適用于電火花線切割多級(jí)分層結(jié)構(gòu)的接觸角預(yù)測(cè),需要探究一種新的適用于電火花線切割加工多級(jí)分層結(jié)構(gòu)表面的接觸角模型,去預(yù)測(cè)表面織構(gòu)實(shí)際尺寸下的液體接觸角。

3.2 固液接觸角仿真建模

根據(jù)經(jīng)典固液接觸角理論,采用有限元仿真方法,在Solidworks軟件中畫(huà)出帶有表面織構(gòu)的二維平面,然后在Ansys-Fluent仿真平臺(tái)上,建立多級(jí)分層結(jié)構(gòu)的二維平面固液接觸角仿真模型,如圖5所示。

圖5 固液接觸角仿真模型Fig.5 Simulation model of solid-liquid contact angle

采用壓力基隱式方法,并利用幾何重建格式,使得求解時(shí)獲得更清晰的相界面。采用多相流(VOF)模型,并設(shè)置空氣為主相,液態(tài)水為次相,并將表面織構(gòu)上的所有壁面的表觀接觸角設(shè)置為電火花線切割加工平面的表觀接觸角。將壓力的亞松弛因子設(shè)置為0.8,以改善收斂條件。最后模擬實(shí)際接觸角測(cè)量過(guò)程,將體積為4 μL的水滴在工件表面附近釋放,水滴與工件接觸后發(fā)生彈跳或其他運(yùn)動(dòng),經(jīng)過(guò)一段時(shí)間后,水滴會(huì)在工件表面保持靜止,從而獲得靜態(tài)固液接觸角。

3.3 固液接觸角仿真結(jié)果分析

圖6～圖8是3種表面織構(gòu)在預(yù)測(cè)尺寸下的仿真結(jié)果?？梢钥闯?大部分三角形表面織構(gòu)的潤(rùn)濕狀態(tài)為Wenzel態(tài),而梯形表面織構(gòu)與矩形表面織構(gòu)多為Cassie態(tài),這些樣品具有足夠的織構(gòu)間隙以及織構(gòu)深度,仿真時(shí)采用的二維仿真模型也使液滴在沉積過(guò)程中無(wú)法及時(shí)排出間隙內(nèi)的氣體,因此在織構(gòu)間隙內(nèi)形成了一個(gè)氣腔,對(duì)液滴具有一定的承載能力。在三角形表面織構(gòu)中,隨著織構(gòu)頂角的減小,織構(gòu)間隙加深,液滴靜態(tài)接觸角會(huì)呈現(xiàn)逐漸增大的趨勢(shì);在梯形織構(gòu)中,隨著織構(gòu)底角的增大與織構(gòu)間距的減小,液滴靜態(tài)接觸角呈現(xiàn)逐漸增大的趨勢(shì);而在矩形表面織構(gòu)中,隨著間隙的減小,矩形柱上邊長(zhǎng)的增大,在一定范圍內(nèi)接觸角會(huì)逐漸增大,而超過(guò)這個(gè)限度時(shí),接觸角反而會(huì)減小。在相同的仿真條件下,三角形表面織構(gòu)的仿真接觸角范圍在136.5°～154.5°,梯形表面織構(gòu)的仿真接觸角范圍在129.5°～147.5°,矩形的仿真接觸角范圍在130.5°～144.0°。從得到的3種不同表面織構(gòu)的固液接觸角對(duì)比來(lái)看,三角形表面織構(gòu)的接觸角要大于梯形織構(gòu)和矩形織構(gòu)的液滴靜態(tài)接觸角。

圖6 三角形表面織構(gòu)固液接觸角仿真結(jié)果Fig.6 Simulation results on solid-liquid contact angle of triangular surface texture

圖7 梯形表面織構(gòu)固液接觸角仿真結(jié)果Fig.7 Simulation results on solid-liquid contact angle of trapezoidal surface texture

圖8 矩形表面織構(gòu)固液接觸角仿真結(jié)果Fig.8 Simulation results on solid-liquid contact angle of rectangular surface texture

4 工件表面固液接觸角的實(shí)驗(yàn)研究

4.1 主級(jí)表面織構(gòu)預(yù)測(cè)尺寸與實(shí)際尺寸對(duì)比分析

使用超景深光學(xué)顯微鏡對(duì)加工工件的表面織構(gòu)實(shí)際尺寸進(jìn)行測(cè)量,并與表2中預(yù)測(cè)尺寸進(jìn)行對(duì)比,其相對(duì)誤差如表3所示。從表中可以看出對(duì)梯形和矩形表面織構(gòu)的實(shí)際尺寸與預(yù)測(cè)尺寸誤差很小,僅有數(shù)個(gè)微米的誤差,而三角形表面織構(gòu)的高度誤差較大。這是由于在加工三角形表面織構(gòu)時(shí),由于電極絲在三角形織構(gòu)頂部的集中放電,導(dǎo)致織構(gòu)頂部被過(guò)量蝕除,形成一個(gè)塌角[19-20],當(dāng)三角形織構(gòu)頂角越小,這樣的過(guò)量蝕除越多,則實(shí)際幾何尺寸與預(yù)測(cè)尺寸相對(duì)誤差越大;當(dāng)三角形表面織構(gòu)織構(gòu)頂角較大時(shí),實(shí)際尺寸與預(yù)測(cè)尺寸的相對(duì)誤差很小。因此,已知電極絲的放電間隙,就可以實(shí)現(xiàn)電火花線切割加工工件表面織構(gòu)的尺寸控制。

表3 3種表面織構(gòu)實(shí)際幾何尺寸與預(yù)測(cè)尺寸相對(duì)誤差Tab.3 Relative error between the actual geometry size and the predicted size of three surface textures

4.2 固液接觸角預(yù)測(cè)值與實(shí)際值對(duì)比分析

為驗(yàn)證多級(jí)分層結(jié)構(gòu)固液接觸角仿真模型的可靠性,開(kāi)展電火花線切割加工工件表面固液接觸角實(shí)驗(yàn)研究。根據(jù)表面織構(gòu)設(shè)計(jì)尺寸,設(shè)置合適的電極絲插補(bǔ)軌跡,加工出相應(yīng)的表面織構(gòu),將加工后的工件在室溫下靜置兩周,使用4 μL的水滴在光學(xué)表面接觸角測(cè)量?jī)x下進(jìn)行接觸角測(cè)量,在同一工件表面不同位置做3～5次接觸角測(cè)量,并取平均值作為該工件表面的表觀接觸角。

實(shí)驗(yàn)得到3種表面織構(gòu)的固液接觸角如圖9～圖11所示,并將實(shí)驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果對(duì)比得到了3組折線圖,如圖12所示。

圖9 三角形表面織構(gòu)接觸角測(cè)量結(jié)果Fig.9 Measurement results on contact angle of triangular surface texture

圖10 梯形表面織構(gòu)接觸角測(cè)量結(jié)果Fig.10 Contact angle measurement results of trapezoidal surface texture

三角形表面織構(gòu)的固液接觸角范圍為131.5°～152.5°,第一個(gè)樣品接觸角大于150°,達(dá)到超疏水狀態(tài);梯形表面織構(gòu)的固液接觸角范圍為121.7°～143.7°,沒(méi)有達(dá)到超疏水狀態(tài)的樣品;矩形表面織構(gòu)接觸角范圍為130.0°～143.0°,沒(méi)有達(dá)到超疏水狀態(tài)的樣品。

圖12表明3種表面織構(gòu)的實(shí)驗(yàn)測(cè)量接觸角與仿真預(yù)測(cè)接觸角的相對(duì)誤差不超過(guò)8%,均在合適的誤差范圍內(nèi)。三角形表面織構(gòu)有部分樣品潤(rùn)濕狀態(tài)呈Cassie狀態(tài),其余樣品的潤(rùn)濕狀態(tài)均為Wenzel狀態(tài),而在仿真結(jié)果中,幾乎所有的樣品均潤(rùn)濕狀態(tài)均為Cassie狀態(tài),這是因?yàn)閷?shí)際實(shí)驗(yàn)中,氣體會(huì)從兩側(cè)的織構(gòu)間隙中逃出,且當(dāng)織構(gòu)的幾何尺寸較大時(shí),在液滴重力作用下,僅靠織構(gòu)側(cè)面無(wú)法支撐液滴。

從電火花線切割加工平面與具有表面織構(gòu)的工件相比,后者的固液接觸角都有大幅的提升,可以說(shuō)明織構(gòu)主級(jí)結(jié)構(gòu)對(duì)工件表面固液接觸角有巨大的影響。從織構(gòu)類型來(lái)看,三角形織構(gòu)的固液接觸角普遍比矩形織構(gòu)與梯形織構(gòu)要大;從織構(gòu)尺寸來(lái)看,織構(gòu)尺寸較小的接觸角較大,工件固液接觸角隨著織構(gòu)尺寸的增大而減小,由于電火花線切割設(shè)備的限制,難以制備更細(xì)小的織構(gòu)尺寸,因此還需研究更小織構(gòu)尺寸下工件接觸角的變化趨勢(shì)。綜合來(lái)看,電火花線切割加工形成工件表面主級(jí)結(jié)構(gòu)與次級(jí)結(jié)構(gòu)以及鋁基碳化硅材料本身的碳化硅顆粒形成的多級(jí)分層結(jié)構(gòu)是工件具有超疏水性能的根本原因。

5 結(jié)論

1) 文中的電火花線切割加工參數(shù)為:開(kāi)路電壓35 V,脈沖持續(xù)時(shí)間300 ns,伺服電壓40 V,電極絲張力1 400 g,切割速度18 mm2/min。在此加工參數(shù)下,制備的三角形織構(gòu)可以達(dá)到超疏水狀態(tài),表面水接觸角可以超過(guò)150°,獲得的樣品最大接觸角為152.5°。

2) 在文中的電火花加工參數(shù)下,電火花線切割加工工件表面的表觀接觸角為75.5°,電極絲放電間隙為0.3 mm,且工件表面有無(wú)數(shù)微納米級(jí)的放電凹坑/凸起,這是構(gòu)建超疏水表面的基礎(chǔ)條件。

3) 建立了固液接觸角仿真模型,利用電極絲放電間隙獲得的預(yù)測(cè)尺寸進(jìn)行接觸角仿真,結(jié)果表明:三角形表面織構(gòu)的固液接觸角大于梯形表面織構(gòu)和矩形表面織構(gòu)的固液接觸角;與實(shí)驗(yàn)得到的固液接觸角數(shù)據(jù)對(duì)比的相對(duì)誤差不超過(guò)6%。

4) 電火花線切割加工的主級(jí)表面結(jié)構(gòu)(三角形織構(gòu))與次級(jí)粗糙形貌(微納米級(jí)凹坑/凸起)構(gòu)成的多級(jí)分層結(jié)構(gòu),是工件表面具有超疏水性能的根本原因,且無(wú)需其他低表面能物質(zhì)修飾,一步即可制備超疏水表面。