空气/液体环境下一步法制备304不锈钢织构表面的润湿性研究

表面润湿性是表面技术的研究热点。为研究不同加工环境中激光制备微织构对304不锈钢表面润湿性的影响,采用光纤激光打标机,在空气、无水乙醇环境中采用一步法制备了微织构表面,从织构形貌、织构表面化学成分分析加工环境及激光参数对304不锈钢表面润湿性的调控机理。结果表明,无织构304不锈钢表面接触角为56.89°,表现出了亲水特性;空气环境中制备的织构为微米尺度的沟槽织构,与无织构304不锈钢表面相比O原子明显增多,其表面接触角为10.61°,表现出了高亲水特性;试验所选参数范围内,无水乙醇环境中制备的织构为不规则的微纳织构,与无织构304不锈钢表面相比新增了大量C原子,其表面接触角为66.14°～117.83°,表现出了疏水特性;亲/疏水表面可以应用在微量液体的定向输运。影响304不锈钢表面润湿性的因素主要有:织构形貌,表面化学成分。该研究为304不锈钢表面润湿性调控提供了参考。     

织构参数对复合绝缘子硅橡胶表面疏水性能的影响

为提高硅橡胶复合绝缘子抗污闪及冰闪能力,采用激光雕刻机在其伞裙试样表面加工一系列不同类型的织构,使其具有超疏水性。采用三维形貌仪、SEM观察织构表面形貌特征,采用接触角测量仪、高速摄像机等进行疏水性能分析。分析了织构参数对硅橡胶表面疏水性能的影响,得到各织构疏水性能最佳时的尺寸参数及水滴弹跳性能。结果表明：设计的表面织构可明显改善硅橡胶表面疏水性能;不同织构疏水性最佳时织构高度基本相同,但织构宽度和间距参数不同。凸起织构相较于凹坑织构表现出了更好的疏水性能,其中菱柱织构表面具有最优的超疏水综合特性,能够有效的减少水滴在表面的停留,减少覆冰。     

纳秒脉冲激光对表面织构参数影响研究

表面微织构具有良好的减摩作用,刀具表面微织构的应用受到国内外学者的广泛关注。针对激光技术在表面微织构制备中的应用,利用红外脉冲纳秒激光雕刻机在YT15刀片表面制备出单脉冲织构、连续线性凹槽织构,分析单脉冲功率及相邻两脉冲光斑重叠面积百分比对织构参数的影响。结果表明:随着激光功率的增加,单脉冲织构的直径、深度、重铸层高度、重铸层宽度均增加;随着相邻两脉冲光斑重叠面积百分比增加,连续线性凹槽织构的深度、宽度、重铸层高度均增加,而重铸层宽度减小;与同功率单脉冲织构相比,连续脉冲的织构深度、重铸层高度、重铸层宽度均大于单脉冲织构,连续脉冲的织构宽度小于单脉冲织构直径。该研究为特定尺寸表面微织构制备提供参考。     

皮秒激光参数对仿生跨尺度乳突织构表面润湿性的影响

无修饰的金属疏水表面受到广泛关注,尤其是具有超高疏水性表面的制备方法逐渐被重视。通过皮秒激光烧蚀、电化学抛光和电化学沉积的顺序加工方法在铜表面制备一系列具有不同微观特征的乳突织构。系统研究激光功率、重复频率、扫描速度和扫描次数对乳突织构表面形貌及疏水性的影响,并分析表面润湿性的转化机理。研究结果表明,激光功率9 W、重复频率2 MHz、扫描速度200 mm/s、扫描次数20次时,跨尺度乳突织构表面静置30 d后可获得超高疏水性(接触角161°,滚动角1°)。储存30 d后,亲水性的Ni、CuO转化为疏水性的NiO、Ni(OH)_2、Cu_2O,以及含C有机物的吸附促成了乳突织构表面润湿性的转化。     

激光功率与扫描速度对微织构形貌影响试验研究

激光加工技术以其清洁高效、自动化程度高、加工过程方便易控制等突出的优势,目前已成为加工微织构的首选方式。在加工过程中,激光参数是影响微织构尺寸参数和形貌的重要因素。采用激光技术在硬质合金刀具表面加工微织构,分析并揭示了激光功率和扫描速度对微织构的尺寸和形貌的影响机制,进而确定了加工微织构的最优激光参数。     

基于离子束辅助激光的硬质合金表面微织构制备方法研究

目的 解决纳秒激光所制备的硬质合金表面微织构尺寸不可控且质量较差的问题.方法 提出了离子束刻蚀与纳秒激光复合加工技术.首次采用离子束辅助激光加工在WC/Co硬质合金表面制备凹坑型微织构,研究了激光扫描速度、重复频率、脉冲宽度和刻蚀时间4种不同加工参数对微凹坑表面形貌及结构尺寸的影响,并初步预测和建立了复合加工过程中微凹坑轮廓演变模型.结果 凹坑型微织构边缘熔融物堆积量随激光重复频率的增加而增加,与扫描速度和脉冲宽度成反比,其中激光重复频率的影响最大.制备的微凹坑直径和深度可以通过改变激光重复频率和刻蚀时间来调节,使用纳秒激光以20、25、30、35 kHz重复频率加工的微凹坑经离子束刻蚀150 min后,边缘的不规则凸起高度分别由1.112、1.675、2.951、3.235μm降低至0.222、0.689、0.976、1.364μm,且刻蚀速率与激光重复频率成正比.离子束刻蚀150 min后,抛光硬质合金表面粗糙度由0.022μm增加至0.079μm,而激光织构化硬质合金表面粗糙度随刻蚀时间的增加均有所降低.结论 建立了基于离子束辅助激光的表面微织构轮廓演变模型,实现了硬质合金表面微织构的高质量可控制备.     

规则织构化硅片表面的制备及其润湿行为

采用感应耦合等离子体刻蚀技术实现了不同形状和几何参数的规则织构化硅片表面的构筑与制备。主要以三种典型的规则织构包括圆柱状、圆坑状和沟槽状表面为研究对象,系统考察了织构形状和几何参数对表面润湿行为的影响规律。研究结果表明:随着织构高度、深度和表面覆盖率的增加,规则织构化硅片表面疏水性能增强,规则织构化表面疏水性能随着表面粗糙度的增加而增强。不同的几何形貌对硅片表面接触角的影响强度是不同的,相对于柱状与沟槽状织构,坑状织构在较小的表面粗糙度时可得到较大的接触角。当表面的接触角均为101°时,坑状、柱状、沟槽状织构的表面粗糙度分别为16.2 nm,29.2 nm和70.2 nm。     

仿生微织构与氟硅烷修饰对6061铝合金浸润性的影响

利用激光辐射效应在铝合金表面构建仿生微织构,通过自组装工艺在微织构表面实现氟硅烷改性处理,制备得到特殊浸润性表面。 利用扫描电镜、三维形貌仪、接触角测量仪对试样微观形貌和浸润性进行表征。 测试与分析结果表明,仿生微织构和氟硅烷修饰对构建特殊浸润性表面起到重要作用;微织构的形貌差异、加工矩阵间距的变化均会影响试样表面对水接触角。 通过数学模型的计算进一步证实,仿生微织构表面具有的超疏水浸润状态符合 Cassie 模型预测。     

激光选区微织构增强不锈钢表面冷凝传热

目的针对特殊润湿性表面常用的化学法修饰具有高污染、热阻大和加工周期长的缺点,采用无化学的激光选区微织构技术增强不锈钢表面冷凝传热性能。方法用纳秒脉冲光纤激光正交扫描微织构不锈钢表面,获得正方形网格沟槽-凸起结构的超亲水表面,在电热恒温干燥箱中热处理降低其表面自由能,获得接触角156.7°与滚动角4.2°的不锈钢超疏水表面。然后对超疏水表面进行激光二次微织构,制备出楔形超疏水-超亲水选区微织构表面。通过SEM、XPS及三维光学显微镜分析表面形貌、化学成分及三维轮廓。对比单一超亲水、超疏水及原始表面,测得试样背面温度、冷凝水量和冷凝液滴平均脱落直径,根据相关冷凝传热理论公式计算出四种试样的表面冷凝传热系数。结果冷凝实验表明,楔形选区微织构表面冷凝传热系数可达到(159.7±1.8) W/(m~2·K),其表面冷凝液滴平均脱落直径达到1.2 mm,约为单一超疏水表面冷凝传热系数的2.0倍,冷凝液滴平均脱落直径为全超疏水的55%。结论选区微织构表面超亲水楔形通道对液流有自驱动作用,使冷凝液快速汇聚后脱离冷凝表面,这一选区微织构图案相比单一原始、超亲水及超疏水表面拥有更好的冷凝传热效果;同时表面冷凝液滴平均脱落直径减小,从而具有更高的冷凝传热系数。     

正弦织构化表面等离子喷涂熔滴铺展成形分析

目的 分析等离子喷涂熔滴在表面织构内的铺展、凝固规律,为了解表面织构化对等离子喷涂涂层结合机制的影响以提升涂层的结合强度提供理论辅助.方法 基于Flow 3D建立熔滴填充微织构的数值模型,研究等离子喷涂熔滴填充正弦形织构的温度场及铺展成形规律,并对比分析织构边缘凸起及织构形状的影响.同时,基于激光织构化表面等离子喷涂试验,分析不同织构对涂层形貌的影响.结果 无边缘凸起织构的散热速度比有边缘凸起织构的快约0.7μs,凹坑织构的散热速度最慢,计算结束时,其最高温依然高于熔滴液相线(1728.4 K)约44.7 K.基体最高温度约1680.5 K,其主要分布于织构边缘凸起顶端、基体平面与织构内壁的拐点以及织构内壁上的凸点位置.有边缘凸起正弦织构的凝固熔滴由中间向两侧逐渐变薄,熔滴在无边缘凸起织构外部呈规则的圆盘状,凹坑织构底部存在"空腔"特征.涂层截面形貌分析发现,有边缘凸起的织构表面的涂层形貌较优,凹坑织构涂层含有较多缺陷,形貌最差.结论 镍基涂层与织构化表面为机械结合.相比凹坑织构,正弦和直线织构更有利于提高涂层的质量.织构边缘凸起的存在对提高喷涂质量也是有利的.     

刀具表面不同角度正弦型沟槽织构的数值模拟与实验研究

目的 分析刀具表面正弦型沟槽织构不同角度对接触表面摩擦学性能的影响。方法 利用激光加工设备在硬质合金表面加工出与垂直线成0°、30°、60°、90°的正弦型沟槽织构,并利用有限元软件FLUENT对不同角度正弦沟槽织构内的润滑液压力等参数进行仿真分析,同时将表面带有织构的硬质合金与钛合金球进行摩擦磨损实验,并通过扫描电镜观察摩擦实验后的表面。结果 硬质合金表面四种不同角度的正弦沟槽织构均能降低与钛合金对摩时的摩擦系数,且随着速度的增大,四种织构表面的摩擦系数均出现不同程度的减小,其中90°的正弦沟槽织构在摩擦实验中的减摩效果最为显著,滑动速度为20 mm/s时,摩擦系数相对于光滑表面减小了77%。通过系列摩擦磨损实验结果表明,正弦沟槽织构产生动压效应的数值模拟结果与减摩降磨实验结果基本一致,刀具表面不同角度正弦沟槽织构产生动压润滑效果的显著程度为90°>30°>0°>60°。结论 与钛合金对摩中,硬质合金表面沟槽织构的存在对降低摩擦系数和减少磨损量具有重要意义,尤其是90°正弦沟槽织构的存在可以大幅改善硬质合金表面的摩擦学特性,其主要作用机理在于及时有效补充接触表面间的润滑液,并产生持续的动压润滑效应,建立并形成连续的摩擦接触界面间油膜,起到减摩降磨的作用。     

激光表面织构铝基低黏附双疏表面

通过激光表面织构化加工方法在铝合金表面制备出一种微米尺度的特殊凹坑结构,利用扫描电子显微镜(SEM)、超景深三维显微镜观测表面形貌;用接触角测量仪表征液滴在表面的润湿特性;通过高温稳定性、低温抗结冰实验和自清洁实验研究表面的温度特性和自清洁特性。结果表明:表面由规则有序的凹坑结构排列组成,且各凹坑带有一定的凸肩结构。表面对水滴的静态接触角最高达到154.6°,滚动角小于5.2°;对甘油的接触角最高达到150.3°,滚动角小于8.7°。超疏水表面在抗结冰和自清洁方面表现出优异的性能,为表面在油、水或两者的混合介质等领域内的应用提供一定的参考。     

纳秒激光加工微凹坑对YG3表面浸润性的影响

研究硬质合金刀具表面浸润性对提高刀具寿命和工件加工表面质量有重要的意义。采用波长1064 nm纳秒脉冲激光在硬质合金YG3表面加工微凹坑阵列,运用光学显微镜、光学轮廓仪和接触角测量仪分别测量微凹坑形貌和表面接触角,研究不同激光功率、扫描次数和微凹坑间距对表面形貌和接触角的影响规律。建立微凹坑几何形貌模型,基于Wenzel理论分析微凹坑形貌变化对表面接触角的影响机理。结果表明:随着平均功率和扫描次数的提高,微凹坑的直径和深度均增大;随着间距的减小,微凹坑分布密度增大。3种条件下表面粗糙度率均增大,表面接触角余弦值随粗糙度率的变化趋势基本一致且成正相关,所以接触角随粗糙度率增加而降低。通过实际接触角与推导接触角的曲线拟合得到了接触角方程。     

基于激光加工和自组装技术改性处理铝镁合金的表面润湿性

为制备具有更高机械强度和更长使用寿命的超疏水金属表面,利用激光加工技术在铝镁合金表面构建出圆台凸起、圆台凹坑和正四棱台3种微结构。利用自组装技术在具有以上3种微结构的铝镁合金表面沉积自组装分子膜(SAMs),采用扫描电镜、形貌分析仪和接触角测量仪对成膜后的铝镁合金表面进行形貌和接触角的表征与测量。结果表明:沉积疏水的FDTS和OTS自组装分子膜时,接触角随微结构间距的增大而减小,随微结构高度的增大而增大,最大接触角达156°,形成超疏水铝镁合金表面;沉积亲水的APS自组装分子膜时,接触角随微结构间距的增大而增大,随微结构高度的增大而减小,最小接触角接近0°,形成超亲水铝镁合金表面;激光加工和自组装技术可以大幅度改变铝镁合金的表面润湿性。     

微观凸织构及润湿性对橡胶滑动接触界面摩擦特性的影响EI北大核心CSCD

橡胶材料在日常生活和工业发展中有着广泛的应用,现有研究主要针对橡胶材料的黏弹特性、表面改性等方面展开,而固体表面微观织构对橡胶滑动接触界面摩擦特性的影响研究较少。针对橡胶滑动接触界面,在往复式摩擦试验机上以钢球和PDMS橡胶块组成摩擦副进行往复摩擦试验,通过改变织构类型和形貌参数来对不同表面形貌下的橡胶滑动摩擦特性进行相关探究,同时还考虑表面润湿性对界面摩擦因数的影响。试验研究表明:润滑状态下橡胶表面添加适当凸织构会降低滑动摩擦因数,微织构形状、面积占有率、高度和直径对橡胶表面滑动摩擦因数和接触角大小都有影响,尤其对于长槽织构,其摩擦因数和接触角大小呈现出方向性。结合摩擦因数和润湿性规律发现,一定范围内增大凸织构直径,橡胶表面润湿性变好,摩擦因数减小;增大凸织构面积占有率、高度时橡胶表面润湿性变差,摩擦因数反而减小。研究橡胶表面微观凸织构及其诱发的润湿性变化对橡胶滑动接触界面摩擦特性的影响,可为橡胶材料表面的摩擦学设计提供理论基础。     

基于图像处理技术界定微纳复合织构防覆冰性能

目的 制备具有防覆冰性能的微织构表面,准确评价微织构表面的结冰性能。方法 采用激光二次扫描方法,以铝合金为基底,构筑沟槽-凹坑型复合微织构表面,以水滴在其表面结冰过程的图像为对象,采用阈值法分割图像和背景,对提取出的图像进行形态学运算,通过分析水滴结冰过程中的轮廓变化规律,研究水滴结冰过程的状态变化,进一步界定水滴的结冰时间。结果 纳秒激光一次扫描形成的沟槽结构,增加了试件表面的粗糙度,使铝合金表面接触角由54.4°提高到116.5°,实现了铝合金表面的疏水性能。而二次扫描构建的沟槽-凹坑复合微织构,形成了Cw-Cn接触模型,进一步提高了试件表面的疏水性,试件表面接触角增大至154.4°。超疏水表面成核能垒高,且沟槽-凹坑复合微织构捕获的空气降低了固液界面的热交换速度,是铝合金表面结冰时间由11 s延长到551 s的原因。图像处理方法准确界定了水滴在结冰过程中的三个阶段。采用Harris角点检测法,可以实现精确判断结冰完成时间,减小了肉眼判断结冰状态所带来的主观误差。结论 纳秒激光二次扫描构筑的沟槽-凹坑复合微织构可以有效提高Al7075表面的疏水性,并延缓水滴在其表面的结冰时间。图像法处理提取的表面轮廓,为研究分析水滴在结冰过程中的状态变化提供了一种新思路。