不同润湿性液体在粗糙表面的润湿滞后现象

润湿滞后是表征液体脱离固体表面难易程度的核心参数。为了研究不同润湿性状态下的润湿滞后现象,在定量描述固体表面粗糙度的基础上,首次在3种不同粗糙度固体表面上对强亲水到疏水范围内的液体进行系统的Wenzel接触角及润湿滞后实验,在通过Wenzel理论及静摩擦力理论验证座滴法与体积法实验结果准确性的前提下,进一步研究不同润湿性状态下杨氏接触角、粗糙度与润湿滞后之间的定性关系。结果表明:固体样品1(固体表面粗糙度,r=1.15)的润湿滞后效应在不同润湿状态下保持一常数,而固体样品2(r=1.64)及固体样品3(r=2.29)的润湿滞后效应在θ_e=90°附近达到最大,随着亲水和疏水程度的增加,润湿滞后效应均不断减小;粗糙度与润湿滞后的关系也并不单调,在亲水状态下,润湿滞后效应随着粗糙度的增加而减小,而在中性润湿状态下未发现明显规律。     

表面粗糙度对硅橡胶材料表面超疏水性的影响

采用一种简单的方法制备出了硅橡胶超疏水性表面;将模具内表面做成一定的粗糙度;按照常规成型工艺,将液体硅橡胶浇注在模具内使其固化,待固化完毕后脱去模具,得到不同粗糙度的表面.经过接触角测量仪测定和扫描电子显微镜分析,结果表明:当硅橡胶表面粗糙度Ra=6.63 μm时,在其表面形成了类似于荷叶的乳突结构;在乳突表面还有亚微米级的小颗粒存在,形成了微米亚微米两级的粗糙结构,材料表面与水的静态接触角为153.5°,滚动角为8°,材料具有超疏水性;当硅橡胶表面粗糙度 Ra<6.63 μm时,材料表面的静态接触角随着表面粗糙度的增加而增加,当Ra=6.63 μm,静态接触角出现最大值153.5°.当表面粗糙度Ra>6.63 μm,材料表面的静态接触角随着表面粗糙度的增加而减小.     

基于随机碰撞的GCr15钢强化研磨表面粗糙度数值模拟

目的 探索强化研磨工艺参数对表面粗糙度的影响规律.方法 采用小球均布大球模型来模拟研磨粉附着在钢珠表面对工件的强化作用,基于Abaqus/Python建立强化研磨随机碰撞有限元模型,设置不同喷射速度、喷射角度、钢珠直径、喷射时间等工艺参数进行仿真模拟.运用Matlab提取靶材表面形貌,并基于此形貌,沿4种不同路径计算表面粗糙度,分析不同参数下表面粗糙度的变化规律.结果 随喷射时间的增加,强化研磨表面粗糙度先增加,后趋于稳定.喷射角度θ为90°,钢珠直径D为0.8mm,喷射速度v分别为30、50、70 m/s条件下,随着喷射时间的增加,表面粗糙度增加至稳定后,分别在1～1.2、1.7～1.9、2～2.5μm波动;喷射速度v为50 m/s,钢珠直径D为0.8mm,喷射角度θ分别为30°、60°、90°条件下,随着喷射时间的增加,表面粗糙度增加至稳定后,分别在1.1～1.3、1.5～1.7、1.7～1.9μm波动;喷射速度v为50 m/s,喷射角度θ为90°,钢珠直径D分别为0.4、0.8、1.2 mm条件下,随着喷射时间的增加,表面粗糙度增加至稳定后,分别在0.7～0.8、1.7～1.9、2.4～2.6μm波动.经过试验验证,发现试验结果与仿真结果平均误差为8.15％.结论 强化研磨随机碰撞有限元模型能可靠预测强化研磨工艺下工件的表面粗糙度,可为后续研究提供理论基础.     

超声辅助螺旋磨削SiCf/SiC陶瓷基复合材料

针对SiC纤维增强SiC陶瓷基复合材料(SiC_f/SiC)存在加工质量差、材料去除困难等问题,开展金刚石砂轮超声辅助螺旋磨削SiC_f/SiC陶瓷基复合材料试验,研究其出口质量、孔壁形貌及孔壁表面粗糙度。结果表明：与传统制孔相比,超声辅助螺旋磨削制孔出口处材料无大面积崩边;砂轮磨削速度方向与纤维方向的夹角θ的周期性变化导致孔壁表面形貌呈现规律性变化。当θ在0°/180°时,纤维与基体多发生脱黏现象;当θ在45°时,纤维多发生剪切断裂;当θ在90°时,纤维多发生挤压断裂;当θ在135°时,纤维既发生剪切断裂又发生挤压断裂;孔壁表面粗糙度Sa在θ为90°时最低,在θ为135°时最高。在一定范围内,表面粗糙度Sa随着超声振幅的增大而降低,最大降幅为38.7%;随着进给速度的增大而升高,最大增幅为39.3%。     

电弧喷涂Zn-Al合金与硅氧烷自组装制备超疏水涂层

采用电弧喷涂技术在Q235钢板上制备了Zn-Al合金涂层,利用硅氧烷对其表面改性,得到具有超疏水特性的Zn-Al涂层。利用场发射扫描电子显微镜(FESEM)、激光共聚焦蔡司光学仪、表面接触角仪(OCA20)、傅里叶变换红外光谱仪(FTIR)和X射线光电子能谱(XPS)研究了涂层表面形貌、疏水性能以及涂层材料与硅氧烷的结合机理。结果表明:当喷涂电压固定时,涂层表面的粗糙度随着送丝速度的增加先增大后减小;当送丝速度固定时,涂层表面的粗糙度随着电压的增大呈相同变化趋势。接触角随着Zn-Al涂层粗糙度的增加而增大,当粗糙度为12.457μm时接触角可增至151.06°,滚动角小于10°。自组装硅氧烷与涂层结合处理后表明结合机理是由硅氧烷水解后的羟基与基体的羟基通过脱水缩合而"生长"在Zn-Al涂层表面。     

Sb对锌液与X80钢表面润湿性影响的研究

目的通过添加不同量的Sb元素降低锌液表面张力,提升X80管线钢热浸镀锌可镀性及镀层质量。方法采用改良座滴法在450℃下进行润湿实验,利用轴对称液滴分析软件(ADSA),计算不同Zn-Sb合金熔体在X80钢基板上的接触角,得到450℃时Zn-Sb合金熔体表面张力。通过能谱仪和扫描电子显微镜对镀层表面及截面的微观形貌和组织结构进行分析。结果当Sb添加量为1.0%时,450℃下Zn-Sb合金表面张力约为0.63 N/m,随Sb含量的增加,表面张力逐渐减小,当Sb含量增加到4.0%时,表面张力达到0.46 N/m,远低于纯锌液的0.79N/m。同时,Zn-Sb合金熔体与X80钢的接触角也从最初的57°逐渐减小到43°。锌合金熔体与X80钢界面处形成铁锌化合物组成的连续反应层,且在反应三相线外存在前驱膜,前驱膜的形成使随后的合金液在其上铺展,促进了润湿。结论Sb的添加能有效降低锌液表面张力,减小Zn-Sb合金熔体与X80钢间的接触角。Sb的表面张力较小,倾向于在锌合金表面富集,其作为表面活性元素降低锌液表面张力,从而提高润湿性。     

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。     

渗透检测中渗透液的润湿现象与接触角

作为渗透检测中的润湿现象有三种方式：即粘湿、浸湿和铺展。若渗透液在固体受检试件表面上的接触角θ≤180°,则可发生粘湿;若接触角θ≤90°,则可发生浸湿;若接触角θ≈0°,则可发生铺展。凡能铺展者,必要浸湿,更能沾湿。渗透检测要求铺展。接触角臼的大小是由在气、液、固三种界面张力的大小所决定的。从接触角口数值大小可看出液体对固体润湿的程度。这些讨论有助于对渗透检测中实际问题的认识。     

固液界面对流体动压润滑膜厚的影响

目的研究固液界面对流体动压润滑油膜厚度的影响。方法在面接触润滑油膜光学测量装置中,旋转的光学玻璃圆盘和静止的微型滑块平面构成面接触摩擦副。实验选取PAO6和80%甘油水溶液作为润滑剂,而滑块使用的表面材料为钢和二氧化硅两种。实验中分别利用同种润滑液体与不同滑块表面材料组合,以及不同润滑液体与同种滑块表面材料组合成不同界面组。针对不同界面组进行不同条件下的膜厚-速度关系曲线的测量。各界面的亲和性通过液体对固体的接触角评价。结果 PAO6/钢界面与PAO6/SiO_2界面产生的膜厚-速度曲线无明显差别,并与经典润滑理论计算值保持一致。而PAO6对钢表面和二氧化硅表面的接触角分别为17.5°和21.9°,两界面的亲和性差别不大。当界面组内各界面亲和性差别较大时,对应的膜厚表现出差别。亲和性较弱,或对应液体在固体的接触角较大时,膜厚相对较低。对于文中实验条件,界面效应随载荷的增加表现明显。初步分析表明,载荷的增加会加大摩擦副出口处油膜的剪切应变率,诱发滑移,从而使得界面效应明显。结论在流体动压薄膜润滑条件下,固液界面亲和性可以对膜厚产生明显的影响。     

微结构注塑熔体流动粘度特性与影响因素

以Cross-WLF模型为基础,应用微结构注塑流动条件对宏观熔体流动行为的粘度模型进行拟合与修正,得出微结构注塑熔体流动行为的粘度模型;采用聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)进行微结构成型微流体流动特性试验验证,表明模具温度对微通道熔体流动特性影响最大。当模具温度升到120℃时,冷凝层消失,熔体的流动不再受模具温度的影响;当微通道表面粗糙度峰谷尺寸与微通道尺寸的比值达到0.030时,微通道几乎被冷凝层堵死;当熔体表面张力接触角θ<90°时,表面张力对微流体流动的阻力随θ的减小而减小。采用变模温注塑技术,能够克服上述不利因素的影响。     

Implications of wettability in biological materials science

Understanding liquid-solid interactions through the behavior of the liquid-solid interface is of paramount interest in many applications ranging from plant surfaces to fabrics, metal casting and biomedical implants. Liquid-solid interactions may or may not include chemical reactions, and the degree of liquid spreading over the solid surface (wetting) may vary based on the chemical properties of the materials involved (surface free energy) and the topography of the solid surface (roughness). The wetting of solid surfaces by biological fluids is often necessary for a chain of biological events to unfurl so that a foreign material may be accepted in vivo and thus become bioactive. We discuss the fundamentals of wettability, and how it pertains to the biological environment. The widespread use of contact angle measurements for the determination of surface free energy is also discussed. The use of contact angle as a general test for biocompatibility has inherent pitfalls as the effects of roughness on contact angle may be significant and misleading about the true chemical nature of the surface. Techniques to characterize the surface free energy are much more reliable, but are not as easily implemented as contact angles.     

Roughness-dependent wetting and surface tension of molten lead on alumina

Surface roughness is an important factor that affects the wetting of molten metal on ceramics. The effect of surface roughness of the alumina substrate on the contact angle, contact diameter, drop height and surface tension of molten lead was investigated in the temperature range of 923–1123 K. The microstructure of the lead/substrate interface was observed by SEM. The surface free energy of alumina substrates was calculated by the geometrical average method. When the surface roughness of the substrate increased from 0.092 to 2.23 μm, the surface free energy increased gradually, ranging from 13.356 to 39.998 mJ/m². The contact diameter of lead droplets decreased from 9.111 to 7.19 mm. The lead drop height increased from 3.41 to 3.85 mm. The contact angle increased from 113.05° to 137.15°. Moreover, the surface depression of the alumina substrate was filled with lead, and no obvious change was observed. The results demonstrated that the wetting of lead drop on alumina substrates was consistent with the Wenzel state.     

固/液界面润湿性对线接触油膜润滑的影响

目的 优化表征固/液界面的表征参数。方法 应用AF和FAS修饰柱面滑块以获得不同润湿性的表面,并测量PEG200、150N和PAO6三种润滑油在AF、FAS和SiO2表面上的接触角、接触角滞后以及三种表面的表面自由能。通过对线接触润滑油膜厚的测量,评价固/液界面润湿性与油膜厚度的关联性。结果 润滑油为PEG200或150N时,在SiO2/SiO2接触副产生的油膜厚度高于SiO2/FAS接触副,而且接触角越小,油膜厚度越大;接触角滞后越大,油膜厚度越大。PEG200、150N和PAO6润滑油分别在SiO2/SiO2和SiO2/AF同一接触副时,呈现出几乎相同的油膜厚度。此时,接触角滞后与油膜厚度的关联性优于接触角。此外,润滑油在AF表面测得的接触角最大且接触角滞后最小,但产生的油膜厚度最大,该现象可以归因于油膜承载力/厚度与界面强度的非单调性。结论 在线接触流体动压润滑条件下,固/液界面的润湿性能够影响油膜厚度。界面表征参数接触角和接触角滞后,与油膜厚度的关联性都存在一定的局限性,但相对而言,接触角滞后的范围更大。AF界面特性与油膜厚度的关系,证明了疏油表面可以具有较好的成膜能力。     

非晶合金表面极端润湿性的研究进展

随着近代仿生学的不断发展,极端润湿性界面材料作为一种新型功能材料,已成为材料科学研究领域的热点之一.非晶合金由于具有较低的表面(自由)能以及在过冷液相区的超塑性,成为了制备功能性表界面的理想材料之一,尤其是超疏液表面的理想材料.利用Young′s、Wenzel、Cassie-Baxter三种不同的润湿模型,对非晶合金表...     

修饰不同微结构对疏水性表面浸润性的影响

目的研究修饰微结构对疏水性材料表面浸润性的影响并指导制备超疏水表面。方法基于有限元软件建立了水滴在修饰不同微结构的疏水性表面的润湿模型,通过水滴表观接触角衡量分析了疏水材料表面修饰单一粗糙结构和复合粗糙结构对疏水性提升的效果,利用硅树脂掺杂微粒制备了不同粗糙度的疏水性涂层,涂层固化后测试其实际接触角大小,并与仿真结果对比。结果仿真结果显示,对水滴接触角为100°的表面修饰单一粗糙结构后,由于微结构形成的凹槽滞留空气,阻碍了水滴在表面铺展,使得水滴在表面的接触角增大至133°。在原微结构基础上修饰更小一级的微结构后,水滴在表面的接触角达168°,材料表面达到超疏水效果。实验中,随涂层表面粗糙度的提升,水滴在表面的接触角逐渐增大,掺混两种微粒的疏水涂层固化后,表面形成复合微观结构,水滴接触角达162°,与仿真结果拟合较好。结论在疏水性表面修饰微结构可显著提升其表面疏水性,修饰复合结构后可达到超疏水效果,此方法可用于实际工程制备超疏水表面。     

Ceramic interface properties evaluation based on contact angle measurement

The ceramic interface properties and morphology were estimated based on contact angle measurements. The contact angle, θ, was measured using different liquids (glycerol, NaCl 3.5% solution, oleic acid and ultra pure water) with known surface tensions. Correlations of the contact angle with the chemical bonds and morphology of thin films are presented. The thin films, deposited via Spray Pyrolysis Deposition (SPD) are TiO₂ (dense, porous) and WO₃ (dense, porous) films.The interface properties of the ceramic layers were explained using the topography images obtained with Atomic Force Microscopy (AFM), and by measuring the contact angles and surface tensions.The contact angles method is sensitive at high θ values. The experiments indicated that the recommended testing liquid is pure water, both for TiO₂ and WO₃ thin films, allowing a clear difference between dense and porous surfaces. The measurements were done at the initial moment of the contact drop-sample and with 1 s step up to 30 min. The presented results can be further used in optimizing the layer-by-layer deposition of thin films.     

Pressure infiltration of packed ceramic particulates by liquid metals

The work carried out on pressure infiltration of packed ceramic particulate by liquid metals, mainly aluminum and its alloys, is reviewed. The theoretical background and the main features of the technique and of the experimental procedures are first considered. The experimental results obtained by several authors approximately follow Darcy and capillary laws. The distinguishable roles of the key variables of the infiltration process are illustrated by means of selected experimental results. These variables can be classified according to their origin: (a) ceramic particulate (size and shape, surface condition); (b) liquid metal (surface tension, etc.); (c) liquid/solid interface (contact angle, reactivity, etc.); and (d) experimental variables (pressure, temperature, etc.). In particular, the importance of the particulate shape and size distribution, the surface tension of the liquid metal, the contact angle, and the oxide layer, in the case of aluminum, is highlighted. Results for binary aluminum alloys and alloys of technological interest (AlMgSi and AlCu alloys) are also discussed. Comparison of results for other metals with those for aluminum throws light on several aspects of the infiltration process. Of particular interest is silver, a metal having a behavior with respect to oxygen opposite to that of aluminum.     

有机氟硅烷对玻璃表面的浸润改性

为研究有机氟硅烷对玻璃表面润湿性的影响,利用1H,1H,2H,2H-全氟癸基三乙氧基硅烷对普通玻璃表面进行化学修饰,在玻璃基体表面形成含有-CF3的强疏水性基团。通过控制试验温度和处理时间,研究了不同处理条件下玻璃表面的疏水效果的变化趋势。通过对玻璃表面进行不同程度的打磨处理,研究了玻璃表面粗糙度对表面接触角的影响。利用扫描电子显微镜(SEM)、表面粗糙度测试仪和红外光谱(FTIR)对玻璃表面处理后形貌、粗糙度和化学结构进行了观察和表征,利用表面接触角仪测定了不同处理条件后玻璃表面的接触角。结果表明,浸润时间与温度的增加在一定范围内均可提高玻璃表面疏水性,且表面粗糙度的增加有利于疏水性能的提高。最终通过将表面粗糙化与表面化学修饰相结合,使玻璃表面获得优异疏水性能,表面接触角最高可达到127.9°。