汪子軒，張臣，朱欽松

（南京航空航天大學(xué)機(jī)電學(xué)院，南京 210016）

0 引言

超疏水表面的發(fā)現(xiàn)起源于荷葉表面[1]，因其表面微結(jié)構(gòu)能在水下束縛一層薄氣膜，從而使原有的無滑移壁面條件被部分滑移氣液界面所取代，能有效地提高微結(jié)構(gòu)的減阻、防污性能[2]。獲得超疏水表面需要兩個(gè)主要關(guān)鍵因素：低表面能和表面粗糙度[3]。因此表面微結(jié)構(gòu)的制備工藝是保證超疏水性能的重要因素。

Martines等[4]基于電子束光刻技術(shù)在表面加工出納米凹凸結(jié)構(gòu)，并組合形成傘狀結(jié)構(gòu)，經(jīng)過OTS表面修飾后獲得了靜態(tài)接觸角為164°、滾動(dòng)角為1°的超疏水表面。Huang等[5]通過化學(xué)氣相沉積法控制基體表面碳納米管陣列的生長(zhǎng)，制備出具有雙層微納結(jié)構(gòu)的表面。Zhao等[6]在此基礎(chǔ)上，以鐵和鋁作為催化劑，在硅基體表面合成垂直排列的多壁碳納米管（CNTs）陣列。Sun等[7]利用荷葉表面作為原始模板通過PDMS復(fù)印成形陰模，然后基于PDMS陰模再次進(jìn)行PDMS復(fù)印，獲得與荷葉表面結(jié)構(gòu)相同的PDMS陽模。Filiz等[8]基于微銑削工藝配合兩種不同尺寸的定制刀具在PMMA表面加工出不同形狀與尺寸的金字塔狀陣列微結(jié)構(gòu)。

為了滿足裝備表面大面積的需求，加工時(shí)必須考慮低成本、可重復(fù)及高效性，同時(shí)避免金屬基超疏水結(jié)構(gòu)易磨損等問題。采用模塑工藝來實(shí)現(xiàn)超疏水微結(jié)構(gòu)的制備，原因在于該工藝只需完成一次模具的精密加工，通過軟膜復(fù)印模具表面微結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)快速成形。因PDMS表面能低、化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定的特點(diǎn)，故選擇其作為模塑成形的基體。基于理論計(jì)算和數(shù)值模擬計(jì)算的超疏水微結(jié)構(gòu)的形狀為陣列微柱（如圖1），其尺寸如表1所示。

圖1 超疏水微結(jié)構(gòu)三維模型示意圖

表1 超疏水微結(jié)構(gòu)幾何參數(shù)

表2 鉆孔設(shè)定進(jìn)給方式參數(shù)

常規(guī)的精密加工方法有光刻、電化學(xué)腐蝕、激光、超聲振動(dòng)銑削等，其中光刻所需設(shè)備與成本較大；電化學(xué)腐蝕存在的問題是無法精確控制加工尺寸與結(jié)構(gòu)；而激光在加工高深徑比結(jié)構(gòu)時(shí)精度很差，難以解決將熔融材料從內(nèi)部排出到外部的問題；考慮陣列微孔直徑為100 μm，微柱之間距離為50 μm，尺寸很小。如果采用銑削的工藝，刀具直徑需小于5 μm。一方面小直徑的銑刀需要定制，價(jià)格昂貴；另一方面，加工面積大，小直徑銑刀加工的工序復(fù)雜，加工時(shí)間長(zhǎng)，易斷刀。因此上述工藝均不適合加工該尺寸陣列微柱結(jié)構(gòu)。為了保證模具表面具有較高的形狀尺寸精度和良好的表面完整性，采用工序簡(jiǎn)單、去除材料較少的高速微小孔鉆削工藝，通過優(yōu)化鉆削參數(shù)來減小切削力和刀具磨損。

1 超疏水微結(jié)構(gòu)制備總體方案

通過分析超疏水微結(jié)構(gòu)表面的不同制備工藝，可以看出，為了獲得低成本、可重復(fù)及高效性的超疏水微結(jié)構(gòu)表面，制備過程主要包括：1）陣列微孔形微結(jié)構(gòu)表面的精密加工。依據(jù)理論設(shè)計(jì)的超疏水微結(jié)構(gòu)形狀尺寸，基于高速微小孔鉆削工藝，優(yōu)化鉆削參數(shù)以減小切削力和刀具磨損，在鋁合金表面加工面積為4.8 mm×4.8 mm的陣列微孔結(jié)構(gòu)，微孔直徑為0.1 mm，間距為0.15 mm，高度為0.2 mm。2）以加工的陣列微孔形微結(jié)構(gòu)表面為模具，采用澆鑄、固化、脫模工藝獲得陣列微柱形的超疏水微結(jié)構(gòu)表面。對(duì)陣列微孔模具進(jìn)行低表面能修飾避免PDMS黏附，在其表面澆鑄液態(tài)PDMS，經(jīng)過真空除氣與常溫固化后，脫模獲得表面具有陣列微柱的超疏水微結(jié)構(gòu)PDMS薄膜。具體制備工藝過程如圖2所示。

圖2 超疏水微結(jié)構(gòu)加工方案

2 陣列微孔形微結(jié)構(gòu)表面的精密加工

2.1 加工工藝分析

在高溫高壓作用下，鋁合金切屑的塑性增大，增大與刀具之間的表面摩擦力，刀具易產(chǎn)生黏結(jié)磨損。高速微小孔鉆削工藝的難點(diǎn)主要在于以下兩個(gè)方面：1）孔深的增加導(dǎo)致微小鉆頭的剛度大幅下降；2）微小刀具的螺旋槽淺、容屑能力差，導(dǎo)致排屑困難，切削液無法實(shí)現(xiàn)冷卻潤(rùn)滑，影響模具微孔的表面質(zhì)量。對(duì)于上述問題，本文在高速微小孔鉆削中避免鉆頭折斷、保護(hù)工件的途徑主要在于：針對(duì)鋁合金材料的切削性能，優(yōu)化微小孔鉆削參數(shù)與鉆孔工序，以減少切削力、提高刀具耐用度。

2.2 具體工藝參數(shù)

為了實(shí)現(xiàn)超疏水微結(jié)構(gòu)PDMS膜可重復(fù)的模塊化成形，保證每一片PDMS膜樣品具備同樣的厚度與面積，需要在鋁合金表面加工一定厚度的正方形凹槽以容納液態(tài)PDMS。將模具加工分為整體框架結(jié)構(gòu)的銑削和表面鉆孔，其中框架結(jié)構(gòu)分為光整平面及加工框架兩步工序，如圖3所示，光整區(qū)域與框架結(jié)構(gòu)都為正方形，L1=8 mm，L2=5 mm。

圖3 框架結(jié)構(gòu)銑削示意圖

為保證鉆孔時(shí)不會(huì)發(fā)生刀具折斷、切屑損傷已加工表面等現(xiàn)象，鉆削大數(shù)量微小孔的工藝路線規(guī)劃包括：1）刀具裝夾時(shí)確保刀徑旋轉(zhuǎn)圓跳動(dòng)保持3 μm之內(nèi)，避免徑向力過大而導(dǎo)致斷刀；2）采用先定心再鉆孔的工序，定心刀具直徑為0.1 mm，長(zhǎng)度為0.2 mm，剛度較大，在鋁合金表面鉆削深度為0.1 mm的定心孔；鉆孔刀具直徑為0.1 mm，長(zhǎng)度為1.2 mm，在定心孔的基礎(chǔ)上進(jìn)行微孔鉆削加工，這種工序的好處在于避免剛度較小的鉆孔刀具在加工表面游動(dòng)，破壞入鉆時(shí)的定位精度，減小刀具的負(fù)荷；3）采用特定的鉆孔路徑進(jìn)給方式，以減少加工時(shí)間，如圖4所示，R平面為安全平面，設(shè)定高度距離工件0.2 mm，避免工件表面凹凸不平時(shí)刀具橫向運(yùn)動(dòng)而導(dǎo)致撞刀；鉆削一定深度后進(jìn)行回刀操作，軸向進(jìn)給D=0.03 mm，回刀量C=0.5 mm，保證足夠大的回刀量，以滿足散熱、減小磨損和排屑等需求。

圖4 預(yù)設(shè)定鉆孔進(jìn)給方式

具體的鉆孔工藝包括定心及鉆孔兩步工序。將整個(gè)待加工區(qū)域分為不同區(qū)域，以避免刀具在長(zhǎng)時(shí)間較高溫度下工作導(dǎo)致表面刮擦與黏結(jié)磨損。如圖5所示，定心分為4個(gè)區(qū)域（d1～d4），鉆孔分為8個(gè)區(qū)域（z1～z8），具體加工參數(shù)如表3所示。為了減小刀具的磨損，避免加工時(shí)斷刀，在不同的進(jìn)給速度、主軸轉(zhuǎn)速的情況下進(jìn)行微孔加工試驗(yàn)。試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，在鉆削微孔時(shí)，進(jìn)給速度為30 mm/min、主軸轉(zhuǎn)速為18 000 r/min時(shí)刀具所受的軸向力和轉(zhuǎn)矩最小。定心刀具由于長(zhǎng)徑比小，剛度相對(duì)較大，可以適當(dāng)增大軸向分層與進(jìn)給速度以提高加工效率。模具實(shí)際加工所使用的機(jī)床設(shè)備選用北京精雕JDGR400高速加工中心，模具具體的加工過程包括光整平面、框架結(jié)構(gòu)加工、定心及鉆孔。圖6（a）為陣列微孔模具的加工過程，切削液帶走加工產(chǎn)生的切屑與熱量，減小刀具磨損或斷刃等意外情況。為避免PDMS膜復(fù)印陣列微柱時(shí)發(fā)生破損或變形等問題，去除模具表面毛刺后，加工完成的樣品如圖6（b）所示，圓角矩形是PDMS薄膜待復(fù)印區(qū)域，中間區(qū)域是陣列微孔結(jié)構(gòu)，周圍鏡面反光區(qū)域是框架結(jié)構(gòu)。圖6（c）為光學(xué)顯微鏡下陣列微孔結(jié)構(gòu)的放大圖。

圖5 陣列微孔加工示意圖

圖6 加工模具及微孔表面形貌

表3 高速微孔鉆削工藝參數(shù)

2.3 加工結(jié)果分析

陣列微孔模具的加工精度直接影響到最終超疏水微結(jié)構(gòu)成品的質(zhì)量，其主要影響因素指標(biāo)包括加工微孔尺寸、微孔間距、表面毛刺情況，利用JSZ6S三目連續(xù)變倍體視光學(xué)顯微鏡進(jìn)行觀測(cè)分析。圖7為陣列微孔模具表面經(jīng)過灰度處理的圖像，測(cè)繪結(jié)果顯示陣列微孔模具表面沒有明顯的毛刺、表面破損及微孔變形等缺陷。

圖7 微孔整體加工情況與加工后微孔的測(cè)量結(jié)果

在整個(gè)陣列微孔表面取30個(gè)測(cè)試點(diǎn)，利用ImageJ圖像處理軟件分別測(cè)量微孔的直徑尺寸與間距尺寸，測(cè)量微孔直徑與間距尺寸的具體數(shù)據(jù)如圖8所示，是30個(gè)測(cè)試微孔的直徑與間距尺寸數(shù)據(jù)，各測(cè)試點(diǎn)間距尺寸值較接近，而直徑尺寸較分散，分別計(jì)算2組數(shù)據(jù)的均值與標(biāo)準(zhǔn)差值，如表4所示。直徑尺寸標(biāo)準(zhǔn)差為5.69 μm，而間距標(biāo)準(zhǔn)差為2.15 μm，兩種尺寸測(cè)試數(shù)據(jù)點(diǎn)的誤差相差較大，原因主要在于微孔加工的直徑受到刀具鉆孔參數(shù)的影響。一方面，刀具旋轉(zhuǎn)的圓跳動(dòng)使孔徑整體有一定誤差；另一方面，持續(xù)鉆孔過程中刀具與表面接觸時(shí)，模具微孔邊緣的材料被去除，軟件圖像處理時(shí)將邊緣破損的材料也視為微孔直徑范圍，導(dǎo)致微孔直徑尺寸測(cè)量誤差較大。而微孔間距尺寸是兩個(gè)微孔中心的距離，由機(jī)床運(yùn)動(dòng)軌跡的定位精度所決定，不受加工參數(shù)所影響，因此誤差較小。

圖8 鋁合金模具測(cè)試微孔尺寸數(shù)據(jù)

表4 測(cè)試微孔直徑與間距數(shù)據(jù)均值與標(biāo)準(zhǔn)差

具體的陣列微孔尺寸與理論設(shè)計(jì)的誤差如表5所示。

表5 鋁合金表面的陣列微孔實(shí)際加工尺寸及誤差

加工后的微孔實(shí)際直徑尺寸為103.3 μm、間距尺寸為148.2 μm，與理論設(shè)計(jì)直徑尺寸100 μm、間距尺寸150 μm相比，直徑尺寸誤差為3.3%，間距尺寸誤差為1.2%。

3 PDMS膜表面陣列微柱的復(fù)印

3.1 具體制備過程

PDMS 膜表面復(fù)印陣列微柱結(jié)構(gòu)的具體工序如表6所示。

表6 P DMS膜表面復(fù)印陣列微柱結(jié)構(gòu)的工藝

PDMS 薄膜表面陣列微柱結(jié)構(gòu)的復(fù)印過程如圖9所示。圖9（a）為低表面能修飾后的鋁合金模具，硅烷化表面經(jīng)過鈍化處理，可以減小PDMS固化后與模具表面之間的黏附力，以幫助PDMS薄膜順利地從模具表面脫離，一方面無PDMS殘留，以保證模具的表面質(zhì)量，另一方面也避免PDMS薄膜脫模時(shí)的損傷。圖9（b）為PDMS主劑與固化劑，以及質(zhì)量比為10:1混合后的液態(tài)PDMS；已有實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，在此配比下，固化后PDMS薄膜的彈性模量值為1 MPa左右，具有合適的彈性模量和良好的拉伸、形變性能。圖9（c）為模具表面澆鑄液態(tài)PDMS并在真空環(huán)境中進(jìn)行除氣處理，消除內(nèi)部存在和PDMS固化時(shí)產(chǎn)生的氣泡，以避免影響陣列微柱的復(fù)印精度。圖9（d）為脫模后的PDMS薄膜表面陣列微柱的顯微鏡放大圖，可以看到區(qū)域內(nèi)已經(jīng)復(fù)印出大面積、無缺陷的陣列微柱結(jié)構(gòu)。

圖9 陣列微柱的復(fù)印過程

3.2 PDMS復(fù)印結(jié)果分析

采用光學(xué)顯微鏡來檢測(cè)PDMS薄膜表面微結(jié)構(gòu)的復(fù)印質(zhì)量，圖10（a）為PDMS薄膜表面陣列微柱結(jié)構(gòu)局部俯視圖，可以看到PDMS薄膜表面均勻分布著陣列微柱，俯視圖呈現(xiàn)圓形，固化后薄膜表面無氣泡出現(xiàn)，且陣列微柱無明顯的損傷、變形等缺陷，脫模過程順利，模具表面無局部黏附。

圖10 顯微鏡下陣列微柱形貌

基于圖像處理軟件對(duì)PDMS薄膜表面的陣列微柱尺寸進(jìn)行分析，通過陣列微柱的俯視圖計(jì)算測(cè)量微柱的直徑和間距尺寸，由于光學(xué)顯微鏡是二維平面測(cè)繪，微柱的側(cè)壁信息在與表面垂直角度下無法獲取，僅僅根據(jù)俯視圖無法準(zhǔn)確測(cè)量陣列微柱的高度，為了解決這個(gè)問題，將PDMS薄膜樣件沿陣列微柱表面的垂直方向切開，利用光學(xué)顯微鏡觀測(cè)陣列微柱結(jié)構(gòu)的截面圖像來計(jì)算微柱的高度尺寸，如圖10（b）所示。

由PDMS薄膜的截面圖可以看出，其表面復(fù)印陣列微柱的具體形貌是圓柱，頂端為圓弧狀，原因在于鉆孔刀具前端切削刃的頂角為130°，鉆削的微孔底部是圓錐形狀，導(dǎo)致PDMS復(fù)印的圓柱頂端不為直角。

取不同區(qū)域的微孔，與鋁合金模具微孔尺寸計(jì)算方法相同，經(jīng)過軟件重復(fù)測(cè)量并計(jì)算平均值，具體的陣列微柱尺寸與理論設(shè)計(jì)的誤差如表7所示。

表7 P DMS薄膜表面復(fù)印的陣列微柱實(shí)際加工尺寸及誤差

PDMS薄膜表面復(fù)印的微柱直徑和間距尺寸分別為106 μm與156 μm，高度誤差為212 μm，因復(fù)印時(shí)微柱產(chǎn)生的微小變形，微柱直徑、間距尺寸與模具微孔相比，與理論值誤差較大。PDMS薄膜表面微柱直徑尺寸誤差為6%，間距尺寸誤差為4%，高度尺寸誤差為6%，總體上，PDMS薄膜表面陣列微柱的尺寸誤差在6%之內(nèi)。

4 結(jié)論

本文采用PDMS模塑工藝實(shí)現(xiàn)了超疏水微結(jié)構(gòu)大面積的制備，滿足低成本、高效率的目標(biāo)，主要包括陣列微孔模具加工及PDMS薄膜表面復(fù)印陣列微柱。

針對(duì)鋁合金材料表面微小孔鉆削易斷刃、排屑困難、表面損傷等問題，優(yōu)化了高速微小孔鉆削的工藝參數(shù)與工序，以滿足加工時(shí)散熱、減小磨損及排屑等要求，減小切削力、提高刀具耐用度。對(duì)加工后的陣列微孔模具進(jìn)行表面質(zhì)量與精度分析，結(jié)果表明：微孔模具表面沒有明顯毛刺、表面破損及微孔變形等缺陷。微孔直徑尺寸為101.4 μm、間距尺寸為150.3 μm，與理論設(shè)計(jì)直徑尺寸100 μm、間距尺寸150 μm相比，直徑加工誤差為3.3%，間距加工誤差為1.2%。

基于加工完成的陣列微柱模具，進(jìn)行低表面能處理，將PDMS主劑與固化劑以質(zhì)量比10∶1混合后澆鑄在模具表面，通過減小模具的表面接觸角、減少外界能量輸入及真空除氣等步驟，減少了PDMS固化時(shí)氣泡的產(chǎn)生。顯微鏡測(cè)繪結(jié)果顯示，PDMS薄膜表面復(fù)印的陣列微柱結(jié)構(gòu)無明顯破損、變形等缺陷，微柱的直徑、間距和高度尺寸分別為106、156、212 μm，總體尺寸誤差在6%以內(nèi)。