本文摘要：摘要:陶瓷材料是天然或合成化合物經(jīng)過成形和高溫?zé)Y(jié)制成的一類無機(jī)非金屬材料，因其具有高熔點(diǎn)、高硬度、高耐磨性、耐氧化等優(yōu)點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用。本文采用激光雕刻機(jī)在陶瓷表面進(jìn)行不同類型的微織構(gòu)加工，通過化學(xué)試劑降低表面自由能后，使其表面具備超疏水性
摘要:陶瓷材料是天然或合成化合物經(jīng)過成形和高溫?zé)Y(jié)制成的一類無機(jī)非金屬材料，因其具有高熔點(diǎn)、高硬度、高耐磨性、耐氧化等優(yōu)點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用。本文采用激光雕刻機(jī)在陶瓷表面進(jìn)行不同類型的微織構(gòu)加工，通過化學(xué)試劑降低表面自由能后，使其表面具備超疏水性能。對(duì)制備的織構(gòu)化表面進(jìn)行了憎水性、液滴彈跳特性、抗結(jié)冰性、耐摩擦性能等試驗(yàn)。研究結(jié)果表明:經(jīng)過激光雕刻方法得到的織構(gòu)化陶瓷表面由親水性變?yōu)槭杷�，并且�?dāng)織構(gòu)的形狀為方柱時(shí)疏水性能最佳。
關(guān)鍵詞:陶瓷;超疏水;激光雕刻;最優(yōu)織構(gòu)
陶瓷因具有高硬度、耐熱、耐腐蝕性等優(yōu)點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用于電力、航空航天等領(lǐng)域，但由于陶瓷表面的積染、結(jié)冰等特性不僅會(huì)造成大量的維護(hù)成本，還會(huì)對(duì)基礎(chǔ)設(shè)施造成一定程度的破壞[1-2]。因此，陶瓷的積染、結(jié)冰等特性已成為陶瓷廣泛應(yīng)用的阻力之一。而在現(xiàn)有材料中，超疏水材料作為一種新型材料，具備一些優(yōu)異的界面性質(zhì)，如防結(jié)冰、防污染、防氧化等特性，在日常生活、工業(yè)生產(chǎn)、國防等領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用前景。
材料論文投稿刊物：《功能材料》(半月刊)創(chuàng)刊于1970年，是經(jīng)原國家科委批準(zhǔn)、由重慶儀表材料研究所和中國儀器儀表學(xué)會(huì)儀表材料學(xué)會(huì)共同主辦的綜合性材料科學(xué)技術(shù)刊物。
基于此特性，學(xué)者們希望將超疏水特性應(yīng)用到陶瓷領(lǐng)域，利用超疏水的特有性質(zhì)來彌補(bǔ)陶瓷的短板。目前，多種方法已被應(yīng)用于構(gòu)建超疏水表面，包括激光刻蝕法[3-5]、模板法[6-8]、靜電紡絲法[9-10]、溶膠凝膠法[11-13]、涂層法[14]等方法。由于激光具有方向性好、高能量密度、單色性好等特點(diǎn)，常被用于加工制備領(lǐng)域[15-17]。
激光加工技術(shù)也越來越成熟，具有可操作性強(qiáng)、成本低、無污染等優(yōu)點(diǎn)。李晶等[18]利用激光技術(shù)在鋁基底表面加工微織構(gòu)成功制造了低粘附雙疏表面，在抗結(jié)冰和自清潔方面表現(xiàn)優(yōu)異;陳峒霖等[19]利用激光在聚二甲基硅氧烷表面成功制備出了仿蘆葦葉的超疏水表面;趙美云等[20]等利用激光雕在復(fù)合絕緣子硅橡膠表面加工各種不同的織構(gòu)，得出了織構(gòu)的形狀、間距和深度對(duì)疏水性的影響。本文試圖利用激光加工的方法以陶瓷為基底制得超疏水/疏冰表面，分析激光加工功率、織構(gòu)寬度(直徑)和間距對(duì)各種類型織構(gòu)表面疏水性的影響，并利用最優(yōu)織構(gòu)進(jìn)行了表面抗冰性、抗磨性的測(cè)試。研究結(jié)果可以制備超疏水陶瓷，從而可以有效減少安全事故的發(fā)生次數(shù)并增大材料的應(yīng)用范圍。
1試驗(yàn)部分
1.1試樣制備試驗(yàn)采用的樣品陶瓷為廣東英超陶瓷有限公司生產(chǎn)，其主要成分為SiO2:62。58%、Al2O3:24。42%、TiO2:1。51%、CaO:0。06%、MgO:0。35%及Fe2O3:3。32%等，試樣尺寸為30mm×50mm×10mm;將陶瓷試樣依次使用150-2000號(hào)砂紙進(jìn)行打磨，再采用MP1金相試樣磨拋機(jī)對(duì)試樣表面進(jìn)一步打磨拋光后，依次使用無水乙醇和去離子水在超聲波清洗機(jī)中清洗10min后干燥備用。
1.2表面織構(gòu)加工采用D80M多功能激光雕刻機(jī)(激光器參數(shù):定位精度為100μm，激光波長(zhǎng)為10。64μm，最大平均功率為60W)在陶瓷表面加工出不同的織構(gòu)。選取圓孔、橫向槽、方柱為表面織構(gòu)類型。
2表面形貌分析為了研究激光雕刻機(jī)在對(duì)陶瓷表面加工時(shí)，陶瓷表面的織構(gòu)是否為設(shè)計(jì)的尺寸及類型，并驗(yàn)證激光加工方案是否可行與一致，利用Nanovea三維非接觸式表面形貌儀獲得試樣表面的三維形貌圖。為原始的陶瓷試樣和加工功率為36W、寬度/直徑(a)和間距(b)為200μm時(shí)試樣表面三維形貌圖。
3織構(gòu)參數(shù)對(duì)表面疏水性影響分析使用JY-PHB型接觸角測(cè)量?jī)x測(cè)量各織構(gòu)表面的接觸角和滾動(dòng)角，原始的陶瓷表面接觸角僅為56°，液滴落在原始的陶瓷表面直接被吸附，無滾動(dòng)角或滾動(dòng)角為90°，不同參數(shù)下各個(gè)織構(gòu)表面的接觸角和滾動(dòng)角變化,激光加工后的各織構(gòu)表面與原始的陶瓷表面相比，接觸角由56°上升到110°以上，滾動(dòng)角由90°降低到40°以下，表明各織構(gòu)表面特性均由親水性轉(zhuǎn)變?yōu)槭杷浴?/p>
4織構(gòu)化陶瓷表面性能分析
4.1液滴在不同表面上的彈跳特性液滴在織構(gòu)表面的彈跳次數(shù)及高度反應(yīng)了織構(gòu)表面對(duì)液滴的粘附程度，選取原始表面拋光和最優(yōu)織構(gòu)化表面試樣，利用千眼狼2F04M高速攝像機(jī)抓拍液滴(液滴的體積為4μL)從150mm處落下過程。
在原始陶瓷表面液滴無彈跳現(xiàn)象發(fā)生，液滴落在表面之后有輕微的上彈趨勢(shì)，但沒有離開試樣表面，經(jīng)過幾次的壓縮-彈起變形后，最終幾乎平鋪在在陶瓷表面上，表明原始的陶瓷表面對(duì)液滴的黏附力較大;為液滴在橫向槽織構(gòu)表面的彈跳過程，可以看到液滴掉落表面后明顯彈起，僅彈跳了一次，且未明顯脫離表面，72ms后基本達(dá)到穩(wěn)定，接觸角明顯增大;為液滴在圓孔織構(gòu)表面的彈跳過程，相較于橫向槽織構(gòu)表面，液滴彈高度更高，完全脫離表面，且在84ms后基本達(dá)到穩(wěn)定;為液滴在方柱織構(gòu)表面的彈跳過程，可以看出液滴下落與表面接觸后快速彈起，彈起高度更高，然后落下后又重新彈起，經(jīng)過反復(fù)彈跳后在102ms后基本達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。
可明顯看出此時(shí)液滴與表面接觸面積較小，接觸角較大，表面具有超疏水性。因此，可知液滴在織構(gòu)化表面上具有較好的彈跳性和不穩(wěn)定性，說明液滴與織構(gòu)表面的黏附力減小了。且三者相較，液滴在方柱織構(gòu)表面的彈跳次數(shù)最多，彈跳高度最高，表明對(duì)于陶瓷而言，方柱織構(gòu)的陶瓷表面的黏附力較小，疏水效果最好。
由以上分析得知，與原始的陶瓷表面相比，各織構(gòu)均有數(shù)次的壓縮-彈起變形，表明經(jīng)過加工處理的試樣表面黏附力明顯降低，試樣的疏水性得到改善，與具有相同基底的織構(gòu)而言，織構(gòu)方柱表面的疏水性效果較好，圓孔次之，橫向槽織構(gòu)表面的疏水性效果最差。
4.2表面抗冰特性
在原始的陶瓷表面及疏水性能最優(yōu)的各織構(gòu)試樣表面滴加40μL的液滴，貼好標(biāo)簽并編上序號(hào)備用，將TEMI880系列濕溫度可程式控制器溫度設(shè)置為-10℃且濕度為80%時(shí)，待儀器中的溫度穩(wěn)定在(-10±0。5)℃時(shí)依照標(biāo)簽次序放入待測(cè)樣品并開始計(jì)時(shí)，通過窗口觀察，直到液滴完全變白時(shí)取出并結(jié)束計(jì)時(shí)。當(dāng)時(shí)間為80s時(shí)，水滴在原始陶瓷表面已經(jīng)開始出現(xiàn)冰晶，而3種織構(gòu)表面的水滴仍然沒有變化;當(dāng)時(shí)間為220s時(shí)，有織構(gòu)表面的水滴才逐漸開始出現(xiàn)冰晶;當(dāng)時(shí)間為280s時(shí)，橫向槽織構(gòu)表面的水滴才完全結(jié)冰。
5結(jié)論
1)通過激光雕刻機(jī)在陶瓷表面加工出一系列的不同織構(gòu)，經(jīng)過化學(xué)試劑降低表面能可以使織構(gòu)表面由親水性變?yōu)槭杷�，合理的加工尺寸參�?shù)可以使其織構(gòu)表面達(dá)到超疏水性質(zhì)。2)加工功率、織構(gòu)尺寸參數(shù)對(duì)不同的織構(gòu)類型表面疏水性能影響不同:當(dāng)加工功率為36W時(shí)，橫向槽和圓孔的加工尺寸為300μm，方柱的加工尺寸為200μm時(shí)3種織構(gòu)表面疏水性最好。3)分別對(duì)3種織構(gòu)類型表面疏水性最優(yōu)的表面進(jìn)行抗冰性、耐磨性測(cè)試比較，發(fā)現(xiàn)方柱織構(gòu)具有較好的綜合性能。
參考文獻(xiàn):
[1]馬崇，杜箏。輸電線路陶瓷絕緣子劣化原因分析[J]。華北電力技術(shù)，2006(7):51-54。
[2]雷楊俊，肖定全。真空中陶瓷絕緣子的沿面閃絡(luò)現(xiàn)象及其研究進(jìn)展[J]。功能材料，2003，34(6):630-632，637。
作者：趙美云何錢雷波趙新澤
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