劉曉輝，鄭曉強(qiáng)，王子朋，申苗苗，梁瑛娜，高殿榮

(1.燕山大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，河北秦皇島 066004；2.燕山大學(xué)極端條件下機(jī)械結(jié)構(gòu)和材料科學(xué)國(guó)防重點(diǎn)學(xué)科實(shí)驗(yàn)室，河北秦皇島 066004)

0 前言

潤(rùn)濕性是固體材料表面非常重要的一種自然特性，它表征了液滴在固體表面上鋪展或聚集的能力，固體表面的潤(rùn)濕性一般用接觸角表征。潤(rùn)濕現(xiàn)象普遍存在于材料的制備、加工以及應(yīng)用等過(guò)程中，固體表面的潤(rùn)濕性受到多種因素的影響，主要因素有：固體材料表面微觀結(jié)構(gòu)和材料表面自由能[1]。研究表明：合理的表面織構(gòu)設(shè)計(jì)是改變材料表面潤(rùn)濕性的重要手段之一[2-3]。目前，固體表面微觀結(jié)構(gòu)與潤(rùn)濕性之間的關(guān)聯(lián)，以及液體潤(rùn)濕微觀表面過(guò)程的探究已成為國(guó)內(nèi)外研究的熱點(diǎn)。

熊其玉等[4]利用激光微織構(gòu)技術(shù)在45鋼表面制備了6種微織構(gòu)的試樣，研究表面結(jié)構(gòu)特征對(duì)表面接觸角的影響，發(fā)現(xiàn)微織構(gòu)表面的潤(rùn)濕性受時(shí)間、溫度、液體體積等影響較大，微織構(gòu)表面的浸潤(rùn)性優(yōu)于原表面，且矩形微凹坑表面浸潤(rùn)性最好。楊奇彪等[5]利用激光加工技術(shù)在硬質(zhì)合金YG3表面加工出微凹坑陣列，研究了不同凹坑形貌參數(shù)對(duì)表面接觸角的影響，發(fā)現(xiàn)表面接觸角余弦值隨粗糙度的變化趨勢(shì)基本一致且成正相關(guān)，表面接觸角隨粗糙度的增加而降低。馮愛(ài)新等[6]在鎢鈦鈷類硬質(zhì)合金表面利用激光加工微凹坑，研究了硬質(zhì)合金表面激光微織構(gòu)對(duì)潤(rùn)濕性的影響，發(fā)現(xiàn)硬質(zhì)合金表面的親水性隨著凹坑深度、凹坑直徑和凹坑密度的變化而變化，隨著微凹坑密度的增加，親水性出現(xiàn)了極值。SCIANCALEPORE等[7]通過(guò)激光雕刻在AISI316L不銹鋼表面加工不同微織構(gòu)，研究了激光化織構(gòu)對(duì)不銹鋼表面潤(rùn)濕性的影響，發(fā)現(xiàn)只有特定的表面微結(jié)構(gòu)才能有效降低表面潤(rùn)濕性，并驗(yàn)證了獲得疏水不銹鋼表面的可能性。QIAO等[8]通過(guò)激光在WC-CoCr涂層加工出不同結(jié)構(gòu)特征的表面織構(gòu)，與無(wú)織構(gòu)涂層表面接觸角比較，發(fā)現(xiàn)織構(gòu)化涂層表面接觸角明顯增大，且減小織構(gòu)間距接觸角會(huì)持續(xù)增大。王新平等[9]利用躺滴法連續(xù)跟蹤測(cè)量聚合物表面固液接觸角隨時(shí)間的變化，發(fā)現(xiàn)各種聚合物表面的固液接觸角都隨時(shí)間迅速降低，最后達(dá)到恒定值。

為化解能源與環(huán)境危機(jī)，以淡水或天然海水為工作介質(zhì)的綠色傳動(dòng)技術(shù)迅速發(fā)展[10-11]。碳纖維增強(qiáng)聚醚醚酮(CF/PEEK)復(fù)合材料具有強(qiáng)度大、韌性好、使用溫度高等優(yōu)點(diǎn)，在航空航天和機(jī)械工業(yè)等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用[12-13]。使用CF/PEEK制備水液壓元件中的摩擦副可以有效解決水潤(rùn)滑過(guò)程中的腐蝕和磨損等問(wèn)題[14-17]。目前關(guān)于CF/PEEK表面潤(rùn)濕性調(diào)控的研究較少，尤其是通過(guò)簡(jiǎn)單的工藝快速改變其表面潤(rùn)濕性的研究。本文作者以高壓海水軸向柱塞泵配流副使用的SAF2507不銹鋼材料和CF/PEEK材料為研究對(duì)象，采用激光加工技術(shù)在材料表面加工出不同形狀、面積率的微織構(gòu)，結(jié)合潤(rùn)濕性試驗(yàn)，研究不同工況條件、微織構(gòu)形狀、微織構(gòu)面積占有率以及不同流體潤(rùn)滑劑對(duì)表面潤(rùn)濕性的影響，豐富SAF2507不銹鋼材料和CF/PEEK材料潤(rùn)濕性的調(diào)控研究，為改善高壓海水軸向柱塞泵配流副材料表面的潤(rùn)濕性提供理論依據(jù)和方法。

1 材料制備與試驗(yàn)方法

1.1 試驗(yàn)材料與微織構(gòu)的制備

此試驗(yàn)選用的試樣1為表面經(jīng)過(guò)拋光處理的SAF2507雙相不銹鋼材料，其化學(xué)成分為(w/%)：0.03C，0.80Si，1.2Mn，0.035P，0.02S，6.0～8.0Ni，24.0～26.0Cr，3.0～5.0Mo，0.24～0.35 N。主要性能參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 試樣SAF2507雙相不銹鋼的主要性能參數(shù)Tab.1 Main performance parameters of sample SAF2507 duplex stainless steel

此試驗(yàn)選用的試樣2基材PEEK為白色粉末，平均粒徑為10 μm，密度為1.32 g/cm3，常州君華特種工程塑料制品有限公司生產(chǎn)；碳纖維：短切碳纖維，纖維直徑為7 μm，密度為1.75 g/cm3，拉伸強(qiáng)度為3.5 GPa，拉伸模量為228 GPa，上海力碩復(fù)合材料科技有限公司生產(chǎn)。

將短切碳纖維放入丙酮溶液中浸泡48 h，用混酸(w98%硫酸∶w69%硝酸=3∶2)超聲20 min，經(jīng)蒸餾水清洗后，放入150 ℃烘箱中干燥6 h后取出。將碳纖維與PEEK以3∶7的體積分?jǐn)?shù)充分混合后，放置于熱壓機(jī)的模具中，經(jīng)過(guò)壓實(shí)、升溫(375～390 ℃)、加壓(10～14 MPa)、釋壓、排氣、冷卻、脫模等過(guò)程，獲得材料2。主要性能參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 試樣CF/PEEK的主要性能參數(shù)Tab.2 Main performance parameters of sample CF/PEEK

微織構(gòu)的加工是一項(xiàng)非常精密的工作，試樣表面的初始微觀結(jié)構(gòu)對(duì)微織構(gòu)加工效果有很大的影響。在進(jìn)行激光微織構(gòu)加工之前，先對(duì)試樣表面進(jìn)行預(yù)處理，采用1 000目的金剛石砂紙加水對(duì)試樣表面進(jìn)行打磨，去除試樣表面的氧化物和表面毛刺；用絨布拋光機(jī)對(duì)所有試樣拋光，之后，將所有樣品放入丙酮溶液中超聲清洗15 min去除表面的碎屑等雜質(zhì)，取出后在空氣中晾干。

微織構(gòu)凹坑選擇方柱形、圓柱形2種凹坑形狀，每種織構(gòu)分別有10%、15%、20% 3種不同的面積占有率，據(jù)此在2種材料表面制造出包括原始表面在內(nèi)的14個(gè)表面，其中SAF2507表面分別命名為M1-M7，CF/PEEK表面分別命名為N1-N7，見(jiàn)表3。微織構(gòu)幾何參數(shù)設(shè)計(jì)采用了控制表面算術(shù)平均差Sa的方法：通過(guò)調(diào)整凹坑間距，保證試件微織構(gòu)區(qū)域內(nèi)凹坑面積占有率不同；控制激光加工參數(shù)，保證凹坑深度相同。

表3 試樣激光微織構(gòu)加工控制參數(shù)Tab.3 Control parameters for laser micro texture processing of samples

使用光纖激光打標(biāo)機(jī)進(jìn)行微織構(gòu)加工，然后使用1 000目金相砂紙對(duì)試樣表面進(jìn)行打磨，去除加工過(guò)程中微凹坑周圍留下的堆積廢料，將打磨后的試樣超聲清洗后取出晾干。

使用奧林巴斯OLS3100激光共聚焦顯微鏡對(duì)加工完成的微織構(gòu)表面進(jìn)行觀測(cè)，如圖1、2所示。

圖1 CF/PEEK表面微織構(gòu)二維(a)、三維(b)形貌Fig.1 2D (a)and 3D (b)morphologies of CF/PEEK surface microtextures

圖2 SAF2507表面微織構(gòu)二維(a)、三維(b)形貌Fig.2 2D (a)and 3D (b)morphologies of SAF2507 surface microtextures

1.2 接觸角測(cè)量試劑的選擇

試驗(yàn)使用蒸餾水和天然海水2種試劑進(jìn)行接觸角的測(cè)量，其中蒸餾水購(gòu)買后直接使用，海水取自秦皇島海域的天然海水。根據(jù)國(guó)家海洋監(jiān)測(cè)規(guī)范(GB 17378.4-2007)測(cè)定秦皇島海域的天然海水pH值為7.2，鹽度為2.983%。試驗(yàn)前，將海水靜置一周左右，并用濾紙過(guò)濾去除多余的結(jié)晶鹽及雜質(zhì)后備用。

1.3 試驗(yàn)方法

使用HARKE-SPCAX1型光學(xué)固液接觸角測(cè)量?jī)x測(cè)量試樣表面的固液接觸角，如圖3所示。該接觸角測(cè)量?jī)x使用座滴法測(cè)量接觸角，數(shù)值計(jì)算使用單元擬合法，水滴速度為1 μL/s，測(cè)試精度可達(dá)到±1°。試驗(yàn)在環(huán)境溫度為20 ℃、空氣濕度為55%的環(huán)境中進(jìn)行。試驗(yàn)中，將不同參數(shù)下加工好并進(jìn)行超聲波清洗、處理干凈的試樣置于試驗(yàn)臺(tái)上，調(diào)整試驗(yàn)臺(tái)的高度使試樣上表面呈現(xiàn)在攝像機(jī)的視野中央；調(diào)整試樣的位置，保證光源投射的方向與凹坑陣列的方向垂直；調(diào)整相機(jī)焦距，設(shè)置自動(dòng)滴液體積、連續(xù)拍照時(shí)間、自動(dòng)拍照采樣時(shí)間等。開(kāi)始試驗(yàn)后，計(jì)算機(jī)系統(tǒng)自動(dòng)滴液，并按照設(shè)定時(shí)間間隔進(jìn)行動(dòng)態(tài)接觸角的測(cè)量與計(jì)算，最后形成該點(diǎn)在設(shè)定時(shí)間內(nèi)的接觸角測(cè)量曲線。在環(huán)形試樣表面每間隔120°取一個(gè)測(cè)量點(diǎn)，每個(gè)點(diǎn)測(cè)量多次，取誤差在5%以內(nèi)的3次測(cè)量數(shù)值作為該點(diǎn)的測(cè)量結(jié)果，取該試樣上的9個(gè)數(shù)據(jù)的算術(shù)平均值作為接觸角的最終測(cè)量結(jié)果，以接觸角的大小表征材料表面的潤(rùn)濕性。

圖3 接觸角測(cè)量?jī)x(a)及座滴法(b)示意Fig.3 Schematic of contact angle measuring instrument (a)and seat drop method(b)

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 液滴潤(rùn)濕固體表面過(guò)程分析

圖4所示為CF/PEEK光滑表面固液接觸角隨時(shí)間的變化情況，可以看到：液滴滴到固體表面后所形成的固液接觸角并不是固定不變，隨著液滴的鋪展和蒸發(fā)，接觸角隨時(shí)間增加不斷減小，直至減小到一個(gè)較為穩(wěn)定的值。

圖4 CF/PEEK光滑表面70 s內(nèi)固液接觸角變化Fig.4 Changes of solid-liquid contact angle of CF/PEEK smooth surface within 70 s

在液滴與固體表面剛接觸時(shí)，液滴與固體表面接觸形成一個(gè)固液初始接觸角，初始接觸角的數(shù)值取決于固體表面的固液界面能。初始接觸角只是一個(gè)瞬間的狀態(tài)，它并不能穩(wěn)定存在，在0～10 s內(nèi)，在液滴自身重力和表面張力作為主要驅(qū)動(dòng)力的驅(qū)使下，液滴在材料表面迅速鋪展開(kāi)來(lái)，接觸角數(shù)值急劇下降。同時(shí)，液滴剛接觸到固體表面時(shí)，在固液間表面張力的作用下，靠近固-液接觸面的那層液體分子受到固體表面強(qiáng)烈的吸引而向前加速運(yùn)動(dòng)，固液三相接觸線的移動(dòng)速度迅速增大，接觸角數(shù)值急劇下降。

在10～50 s內(nèi)，隨著液滴的不斷鋪展和蒸發(fā)，驅(qū)動(dòng)液滴鋪展的力逐漸變小，液滴受到固體表面凸起等復(fù)雜微觀結(jié)構(gòu)“釘扎效應(yīng)”和附加摩擦力阻礙的影響越來(lái)越大，“釘扎效應(yīng)”及附加摩擦力原理如圖5所示。因此，液滴鋪展的速度逐漸變慢，接觸角減小的速度也越來(lái)越慢。在此時(shí)間段內(nèi)，接觸角以一個(gè)較小的速率繼續(xù)減小。

圖5 “釘扎效應(yīng)”及附加摩擦力原理Fig.5 Principle of “pinning effect” and additional friction

在50 s以后，接觸角逐漸開(kāi)始穩(wěn)定在特定的值，這個(gè)值就是所要測(cè)量的固液平衡接觸角。隨著時(shí)間的進(jìn)一步推移，接觸角數(shù)值還會(huì)受到液滴蒸發(fā)等其他不可控因素的影響出現(xiàn)較小的變化，為了盡量減小環(huán)境因素對(duì)于接觸角測(cè)量數(shù)值的影響，取60 s處的接觸角作為固液平衡接觸角。

固體表面的固液接觸角從液滴與固體表面開(kāi)始接觸到逐漸保持穩(wěn)定，接觸角下降的速率一直在減小，接觸角從較大的初始數(shù)值變?yōu)橐粋€(gè)穩(wěn)定值的過(guò)程與文獻(xiàn)[18]中記錄的接觸角隨時(shí)間變化的規(guī)律相一致。

為驗(yàn)證固液接觸角隨時(shí)間變化的普遍性，測(cè)量了不同試驗(yàn)條件下固液接觸角隨時(shí)間變化的趨勢(shì)，如圖6所示。

圖6 不同試驗(yàn)條件下接觸角隨時(shí)間的變化Fig.6 Changes of contact angle with time under different test conditions：(a)CF/PEEK surface，1 μL distilled water；(b)SAF2507 surface，1 μL distilled water；(c)CF/PEEK surface，3 μL distilled water；(d)CF/PEEK surface，1 μL seawater

2.2 液滴體積對(duì)固液接觸角的影響

圖7是不同體積液滴在CF/PEEK織構(gòu)表面形成的接觸角?？梢钥闯觯阂旱误w積為3 μL時(shí)，不同微織構(gòu)表面的固液平衡接觸角均比1 μL時(shí)減小了2°左右，可見(jiàn)，隨著液滴體積的增大，接觸角減小。一方面，液滴的體積較小時(shí)，重力對(duì)液滴鋪展的影響非常小，液滴鋪展主要受到固體復(fù)雜表面阻礙作用的影響，鋪展較小，接觸角數(shù)值比較大；液滴體積較大時(shí)，重力作用于整個(gè)液滴，在垂直方向重力的驅(qū)使下[19]，液滴持續(xù)浸入到織構(gòu)內(nèi)部，固-液接觸的面積不斷增大，這導(dǎo)致固-液之間黏附力變強(qiáng)，液滴更好地在表面鋪展，從而導(dǎo)致接觸角減小[20-21]。另一方面，隨著液滴體積的增大，液滴內(nèi)部的壓力增大，由液滴中心指向液滴表面的內(nèi)部壓力促使液滴從中心向四周鋪展，進(jìn)而使接觸角變小。此外，液滴鋪展過(guò)程中，液滴外緣三相接觸線的附加摩擦力[22]也對(duì)液滴的鋪展起很大的作用，該附加摩擦力與靜摩擦力相類似。當(dāng)液滴體積較小時(shí)，驅(qū)動(dòng)液滴鋪展的力小于附加摩擦力，三相接觸線不移動(dòng)或移動(dòng)速度很小，此時(shí)液滴鋪展較小，接觸角較大；液滴體積較大時(shí)，重力對(duì)鋪展的影響不可忽視，驅(qū)動(dòng)液滴鋪展的力超過(guò)附加摩擦力，液滴的三相接觸線開(kāi)始移動(dòng)，液滴鋪展較大，接觸角變小。

圖7 不同體積液滴在CF/PEEK表面固液平衡接觸角Fig.7 Solid liquid equilibrium contact of droplets with different volumes on CF/PEEK surfaces

液滴從剛接觸到固體表面到達(dá)到平衡這段時(shí)間內(nèi)的平均鋪展速度可表示為

v=(θ0-θ1)/t

(1)

式中：θ1為固液平衡接觸角；θ0為固液初始接觸角；t為液滴達(dá)到平衡所需的時(shí)間。

由式(1)可得1 μL和3 μL液滴在60 s內(nèi)鋪展的速度，如表4所示。

表4 不同體積液滴鋪展速度Tab.4 Spreading velocity of droplets with different volumes

值得注意的是，液滴體積為3 μL時(shí)，液滴在所有織構(gòu)表面均表現(xiàn)出更慢的鋪展速度。液滴在自身重力和表面張力的作用下，在固體表面形成不同的球冠形狀。當(dāng)液滴體積較小時(shí)，三相接觸線圍成的球冠形狀體積較小，液滴鋪展經(jīng)過(guò)的區(qū)域面積較小，如圖8(a)所示，故鋪展過(guò)程中受到固體表面復(fù)雜三維結(jié)構(gòu)“釘扎效應(yīng)”和附加摩擦力的阻礙較小，鋪展較快。液滴體積較大時(shí)，球冠形狀體積較大，液滴鋪展經(jīng)過(guò)的區(qū)域面積較大，如圖8(b)所示，受到固體表面復(fù)雜三維結(jié)構(gòu)“釘扎效應(yīng)”和附加摩擦力阻礙的合力遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于體積較小時(shí)的合力，這種阻礙液滴鋪展的合力一定程度上阻礙了液滴的鋪展，故液滴較大時(shí)鋪展較慢。

圖8 液滴鋪展示意Fig.8 Schematic of droplet spreading：(a) 1 μL；(b)3 μL

考慮到此試驗(yàn)激光加工的微織構(gòu)尺寸較小，為使液滴更好地浸入到微織構(gòu)凹坑內(nèi)部，以便接觸角測(cè)量值更準(zhǔn)確，故采用1 μL的液滴測(cè)量接觸角。

2.3 微織構(gòu)對(duì)固液接觸角的影響

由圖9和圖10可以看出：在不同材料表面加工微織構(gòu)可以有效改善材料表面的潤(rùn)濕性。在CF/PEEK表面加工微織構(gòu)有助于增強(qiáng)材料表面的親水性，表面接觸角隨織構(gòu)面積占有率的增大而減小，親水性逐漸增強(qiáng)；在SAF2507雙向不銹鋼表面加工微織構(gòu)則會(huì)使材料表面的親水性變?nèi)?，表面接觸角隨織構(gòu)面積占有率的增大而增大，親水性逐漸減弱。

圖9 CF/PEEK表面接觸角隨織構(gòu)面積占有率變化Fig.9 Changes of CF/PEEK surface contact angle with texture area occupancy

圖10 SAF2507表面接觸角隨織構(gòu)面積占有率變化Fig.10 SAF2507 surface contact angle changes with texture area occupancy

織構(gòu)在材料表面的面積占有率指該表面單個(gè)微織構(gòu)面積與面積單元的面積比值，通過(guò)改變面積單元可以得到微織構(gòu)的不同分布面積率，其分布范圍為10%～20%。

由圖9可以看出：CF/PEEK表面固液接觸角隨著微織構(gòu)分布面積率的增大而減小，試樣表面經(jīng)激光加工后親水性變強(qiáng)。這是由于激光在CF/PEEK表面加工微織構(gòu)有利于液體的儲(chǔ)存，同時(shí)試樣表面的微織構(gòu)會(huì)產(chǎn)生毛細(xì)力的作用，導(dǎo)致表面對(duì)液滴具有很強(qiáng)的黏附力，液滴極易侵入微織構(gòu)凹坑內(nèi)部導(dǎo)致固-液接觸面積增大，加速了液滴的鋪展，使接觸角變小，表面趨于更加親水。由于單個(gè)微織構(gòu)的面積保持不變，面積率增大，相同表面面積內(nèi)的微織構(gòu)數(shù)量變得更多，表面粗糙度增大，對(duì)液體的儲(chǔ)存能力和毛細(xì)力作用也更強(qiáng)，這導(dǎo)致固-液間接觸面積進(jìn)一步增大，接觸角減小，親水性增強(qiáng)。該試驗(yàn)結(jié)果與Wenzel理論描述的內(nèi)容相符合，理論模型和實(shí)際潤(rùn)濕示意如圖11所示。

圖11 Wenzel模型原理(a)和浸潤(rùn)示意(b)Fig.11 Wenzel model principle (a)and wetting schematic (b)

由圖10可以看出：SAF2507雙相不銹鋼表面固液接觸角隨著微織構(gòu)分布面積率的增大而增大，與CF/PEEK正好相反，隨著微織構(gòu)面積率的進(jìn)一步增大，雙相不銹鋼表面親水性逐漸減弱。通過(guò)高倍顯微鏡拍攝的圖12(b)可以看到：測(cè)量SAF2507表面的接觸角時(shí)，液滴內(nèi)部有明顯的氣泡產(chǎn)生，該現(xiàn)象與Cassie-Baxter理論描述的潤(rùn)濕模型[圖12(a)]相符合。這說(shuō)明液滴在SAF2507表面并不能完全浸潤(rùn)到織構(gòu)內(nèi)部，液滴和織構(gòu)表面之間存在空氣。這是因?yàn)榧す庠诓讳P鋼材料表面加工微織構(gòu)會(huì)使得材料表面存在很多間隙，材料表面形貌復(fù)雜，表現(xiàn)出三維微納結(jié)構(gòu)。這些結(jié)構(gòu)能夠吸附大量的空氣填充到表面微觀結(jié)構(gòu)中，空氣的存在阻礙了固-液之間的完全接觸，水滴實(shí)際上是與空氣和固體表面組成的復(fù)合表面相接觸，固-液之間實(shí)際接觸的面積很小，使得水滴在固體表面很不穩(wěn)定，材料表面親水性減弱。微織構(gòu)面積占有率越大，材料表面粗糙度越大，織構(gòu)表面的三維微納結(jié)構(gòu)也越復(fù)雜，固-液界面間吸附的氣體也就越多，固-液之間實(shí)際接觸的面積比降低，使得表面親水性更弱。

圖12 Cassie-Baxter模型原理(a)和浸潤(rùn)示意(b)Fig.12 Cassie-Baxter model principle (a)and wetting schematic (b)

由圖9和圖10可以看出：在固體表面微織構(gòu)面積占有率相同的情況下，相同試樣表面方柱形微織構(gòu)的接觸角均比圓柱形微織構(gòu)的接觸角小。這是由于雖然方柱形的邊長(zhǎng)與圓柱形微織構(gòu)的直徑相同，深度也相同，但形狀的不同導(dǎo)致微織構(gòu)的體積也不相同，方柱形微織構(gòu)的體積明顯大于圓柱形微織構(gòu)的體積，因此在邊長(zhǎng)與直徑相同、深度一樣的條件下方柱形微織構(gòu)可以存儲(chǔ)更多的液體，使得液滴的鋪展速度更快，因此接觸角也更小。

2.4 測(cè)量試劑種類對(duì)固液接觸角的影響

由圖13可以看出：當(dāng)接觸角測(cè)量液體為蒸餾水和天然海水時(shí)，在CF/PEEK光滑表面和織構(gòu)表面的接觸角均小于90°，為親水表面。當(dāng)固體表面微織構(gòu)面積占有率相同時(shí)，天然海水比蒸餾水在固體表面形成的接觸角小，潤(rùn)濕性能更好。這是因?yàn)轲ざ仁橇黧w潤(rùn)滑劑最重要的性能參數(shù)，對(duì)潤(rùn)滑的影響較大，海水的黏度比水的黏度稍低，因此在相同的固體表面鋪展的速度相對(duì)較快，接觸角比較小；其次，海水中有較多細(xì)小的顆粒狀物體，同時(shí)海水的鹽度較大，這就造成了海水的密度較大，相同體積海水的質(zhì)量比蒸餾水質(zhì)量大，所以相同體積的海水比蒸餾水受到重力的影響更大，在以重力為主要驅(qū)動(dòng)力的作用下，海水液滴更容易鋪展開(kāi)來(lái)，液滴鋪展的速度更快，所以接觸角也更??；此外，海水中含有很多細(xì)小的顆粒狀物體，其中有很多是較為親水的物質(zhì)，它們吸附在材料表面，也會(huì)使材料的親水性進(jìn)一步增強(qiáng)，從而使接觸角變小。

圖13 蒸餾水和天然海水在CF/PEEK表面的接觸角Fig.13 Contact angle of distilled water and natural seawater on CF/PEEK surface

3 結(jié)論

文中利用激光加工在SAF2507雙相不銹鋼和CF/PEEK碳纖維增強(qiáng)聚醚醚酮表面加工出2種不同形狀的微織構(gòu)，探究了時(shí)間、液滴體積、微織構(gòu)特征、液滴種類對(duì)固體表面潤(rùn)濕性的影響，得到如下結(jié)論：

(1)固液接觸角的數(shù)值并不是穩(wěn)定不變的，其對(duì)時(shí)間具有依賴性，固液接觸角會(huì)隨著時(shí)間的變化先迅速減小，然后趨于穩(wěn)定，最后保持在一個(gè)較為穩(wěn)定的值。大量試驗(yàn)結(jié)果表明：在60 s處測(cè)得的固液接觸角數(shù)值最為準(zhǔn)確。

(2)液滴體積對(duì)于接觸角測(cè)量的影響比較大，液滴體積變大時(shí)，固液接觸角的數(shù)值會(huì)變小；液滴體積較大時(shí)，液滴鋪展的速度會(huì)變慢。在微織構(gòu)尺寸較小時(shí)，選用1 μL液滴測(cè)量固液接觸角較為準(zhǔn)確。

(3)驗(yàn)證了激光加工微織構(gòu)對(duì)于改善表面潤(rùn)濕性有很大的影響，合理的織構(gòu)設(shè)計(jì)可以有效地改善材料表面的潤(rùn)濕性。微織構(gòu)面積占有率的改變會(huì)對(duì)織構(gòu)表面的潤(rùn)濕性造成影響，在CF/PEEK表面加工微織構(gòu)材料表面由親水變?yōu)楦H水，且隨著微織構(gòu)面積率的增大，接觸角變小，材料表面的親水性提高；在SAF2507表面加工微織構(gòu)材料表面親水性變?nèi)?，且隨著微織構(gòu)面積率的增大，接觸角變大，材料表面的親水性變?nèi)?。?dāng)微織構(gòu)面積分布率和單個(gè)微織構(gòu)面積相同時(shí)，方柱形微織構(gòu)的潤(rùn)濕性比圓柱形微織構(gòu)的潤(rùn)濕性好。

(4)不同液滴在相同表面的接觸角不同，海水在CF/PEEK和SAF2507表面的接觸角均比蒸餾水的小，海水的潤(rùn)濕性比蒸餾水的潤(rùn)濕性好。