SiC 表面圓環(huán)槽邊緣效應(yīng)實(shí)驗(yàn)研究*

于子恒 馬春紅 白少先

1) (浙江工業(yè)大學(xué), 機(jī)械工程學(xué)院, 杭州 310023)

2) (浙江科技學(xué)院, 機(jī)械與能源工程學(xué)院, 杭州 310023)

基于固體邊緣效應(yīng), 對(duì)碳化硅(SiC)表面激光加工圓環(huán)形溝槽的潤(rùn)濕特性進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究, 通過(guò)分析去離子水在圓環(huán)槽上的潤(rùn)濕性能及其在邊緣處的鋪展行為, 獲得了環(huán)槽深度與環(huán)槽寬度對(duì)液滴在邊緣處最大表觀接觸角的影響規(guī)律.結(jié)果表明, SiC 圓環(huán)槽阻礙液滴鋪展, 光滑基體表面上接觸角為70°, 激光加工圓環(huán)槽深度為290 μm, 寬度為1 mm 時(shí), 接觸角可達(dá)138.5°.隨槽深的增大, 接觸角呈現(xiàn)先增大后趨于穩(wěn)定的趨勢(shì),臨界槽深為80 μm.當(dāng)槽深小于該極值時(shí), 接觸角隨槽深的增大而線性增大; 當(dāng)槽深大于該極值時(shí), 液滴處于穩(wěn)定釘扎狀態(tài), 接觸角趨于穩(wěn)定, 其穩(wěn)定值符合Gibbs 不等式.環(huán)槽寬度存在一臨界值40 μm.當(dāng)槽寬低于該值時(shí),液滴接觸環(huán)槽外緣后越過(guò)溝槽繼續(xù)在平面上鋪展; 當(dāng)槽寬大于該值時(shí), 接觸角趨于穩(wěn)定, 液滴沿邊緣鋪展.

1 引 言

表面幾何邊緣處, 存在液體在毛細(xì)力作用下也不能移動(dòng)的釘扎現(xiàn)象, 這阻礙了液體的鋪展, 使接觸角增大, 形成固體邊緣效應(yīng)[1?3].基于邊緣效應(yīng)的研究表明[4?8], 通過(guò)合理的表面形貌設(shè)計(jì), 可實(shí)現(xiàn)對(duì)表面液滴鋪展的有效限制, 這一結(jié)果已廣泛應(yīng)用于微芯片組裝的對(duì)準(zhǔn)[9]、液滴失穩(wěn)防護(hù)[10]、各向異性織構(gòu)制備[11]、毛細(xì)管制備[12]及微流控裝置的防漏[13]、機(jī)身表面冷凝除水[14]等場(chǎng)合, 也為軸承、密封等工程表面潤(rùn)滑流體的流失控制提供了潛在應(yīng)用途徑.

Gibbs 等[15]首先提出Gibbs 方程式, 在幾何角度上探討了邊緣處表觀接觸角與邊緣傾角和前進(jìn)接觸角之間的關(guān)系.Du 等[16]和Qiao 等[17]針對(duì)液滴在不同結(jié)構(gòu)表面上的形態(tài)研究表明表面能量勢(shì)壘對(duì)液滴形態(tài)起到至關(guān)重要的作用.Kim 等[18]的研究表明, 液滴形態(tài)和釘扎點(diǎn)位置受重力的影響.Wang 等[19]實(shí)驗(yàn)研究了不規(guī)則結(jié)構(gòu)的邊緣效應(yīng), 結(jié)果表明銳邊對(duì)接觸線有很強(qiáng)的釘扎作用, 能顯著改變接觸角及其潤(rùn)濕狀態(tài).通過(guò)合理的設(shè)計(jì)邊緣處的形狀、尺寸及結(jié)構(gòu)等參數(shù), 可利用邊緣效應(yīng)實(shí)現(xiàn)液滴的穩(wěn)定釘扎, 減緩液滴鋪展.Ma 等[20]和Tóth 等[21]對(duì)比分析了方形和圓柱形結(jié)構(gòu)邊緣處的潤(rùn)濕狀態(tài), 結(jié)果表明相同表面面積, 圓柱形結(jié)構(gòu)能釘扎更大的液滴.

為更好地理解圓柱形槽邊緣效應(yīng)對(duì)液滴鋪展行為的影響規(guī)律, 已有學(xué)者開展了材料屬性[22]、傾角[2,22?24]、側(cè)壁表面粗糙度[24,25]、側(cè)壁高度[9,24,26]等參數(shù)的影響研究, 結(jié)果表明上述參數(shù)均影響固體的邊緣效應(yīng), 通過(guò)改善邊緣尺寸、選取合適材料等方法, 可有效提高邊緣處的最大接觸角.Chang 等[9]對(duì)液滴在不同側(cè)壁高度微芯片上邊緣效應(yīng)的研究表明, 側(cè)壁高度對(duì)接觸線釘扎和自定線過(guò)程均有影響, 側(cè)壁高度大于280 nm 可實(shí)現(xiàn)液滴的穩(wěn)定釘扎.Oliver 等[22]研究了鋁盤表面上液滴的鋪展行為,證實(shí)了液滴在邊緣處釘扎時(shí)的Gibbs 條件, 發(fā)現(xiàn)液滴在側(cè)壁同一高度處達(dá)到一固定的臨界接觸角; 然而, 在90°側(cè)壁傾角的藍(lán)寶石表面并不存在這一現(xiàn)象.Kalinin 等[24]采用微加工技術(shù)加工圓柱凸臺(tái),結(jié)果表明微加工表面可大大提高液滴在邊緣處的最大接觸角: 當(dāng)環(huán)高大于2 μm 時(shí)邊緣效應(yīng)顯著,且最大接觸角不再隨高度變化; 環(huán)高小于2 μm, 最大接觸角隨環(huán)高的減小而減小; 研究結(jié)果同時(shí)表明, 最大接觸角的大小與環(huán)寬無(wú)關(guān).Muller 等[26]實(shí)驗(yàn)研究了液滴在高為200 nm—31.8 μm 的圓柱形硅片上的邊緣效應(yīng), 表明高度在630 nm 以內(nèi),柱面存在對(duì)接觸角無(wú)影響; 小于7.2 μm 時(shí), 最大接觸角隨高度的增大呈線性增大; 高于7.2 μm 后,接觸線釘扎基本穩(wěn)定.研究同時(shí)表明, 柱面半徑、進(jìn)樣速度及濕度等參數(shù)不影響邊緣處的最大接觸角及其潤(rùn)濕性轉(zhuǎn)變.Wang 等[27]對(duì)溝槽織構(gòu)上液滴的各向異性研究表明, 液滴在垂直于溝槽方向上的鋪展行為受溝槽尺寸的影響顯著.隨溝槽寬度的增大, 液滴接觸角呈先增大后減小的趨勢(shì), 當(dāng)槽寬為128 μm 時(shí)接觸角存在最大值.基于側(cè)壁粗糙度對(duì)邊緣效應(yīng)的影響研究表明[23,28], 不光滑的側(cè)面使得表面粗糙度與宏觀幾何形貌之間的關(guān)系更加復(fù)雜.相較于上述微觀結(jié)構(gòu)的研究, 密封端面上宏觀結(jié)構(gòu)對(duì)承載能力和密封性能的影響顯著.潤(rùn)濕界面對(duì)潤(rùn)滑油膜厚度有顯著影響[29], 因此研究固體邊緣效應(yīng)對(duì)液滴鋪展特性的影響對(duì)于探討密封設(shè)計(jì)與優(yōu)化具有十分重要的意義.

目前, 針對(duì)SiC 基體的邊緣效應(yīng), 尤其是結(jié)構(gòu)參數(shù)的影響規(guī)律研究較為欠缺.本文選取密封常用材料SiC 為研究對(duì)象, 采用激光加工工藝在基體上制備不同槽深和槽寬的圓環(huán)槽, 分別探討了去離子水在圓環(huán)槽上的鋪展特性、邊緣處的釘扎效應(yīng)等現(xiàn)象, 在此基礎(chǔ)上研究了槽深和槽寬對(duì)最大表觀接觸角影響規(guī)律, 并探討其影響機(jī)理, 以期為可控流體流失的密封端面設(shè)計(jì)提供設(shè)計(jì)參考.

2 試驗(yàn)與方法

2.1 實(shí)驗(yàn)方案

圖1 所示為本實(shí)驗(yàn)原理圖, 首先將試件置于水平載物臺(tái)上, 載物臺(tái)通過(guò)水平儀調(diào)平, 以防止由于表面不平引起的液滴側(cè)向運(yùn)動(dòng).采用微量進(jìn)樣器以0.2 μL/s 的速度補(bǔ)充液體, 通過(guò)在水平和豎直方向配置顯微鏡頭的CCD 相機(jī)觀測(cè)液滴在SiC 圓環(huán)槽表面上的潤(rùn)濕及鋪展行為, 抓取30 幀/s 的液滴運(yùn)動(dòng)視頻及鋪展俯視圖, 記錄液滴形狀及接觸角隨液滴體積的變化規(guī)律, 所得實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)儲(chǔ)存于計(jì)算機(jī)中并進(jìn)行后續(xù)處理.

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置原理圖Fig.1.Schematic diagram of experiment device.

采用五點(diǎn)擬合法進(jìn)行接觸角的測(cè)量, 選取去離子水進(jìn)行潤(rùn)濕性及鋪展特性的研究, 其表面張力γ = 0.072 N/m, 動(dòng)力黏度η = 8.9 × 10–4Pa·s, 密度ρ = 103kg/m3; 實(shí)驗(yàn)環(huán)境溫度為25 ℃, 空氣濕度為40%, 每組試驗(yàn)重復(fù)5 次.

2.2 形貌設(shè)計(jì)

Young[30]給出光滑表面上液滴的潤(rùn)濕性模型:

其中, γlv, γsl, γsv分別為液-氣、固-液、固-氣的表面張力, θY為固有接觸角.式(1)表明在絕對(duì)光滑表面上, 液滴的接觸角僅與表面張力有關(guān).而實(shí)際工程表面上, 必然存在表面缺陷, 液滴越過(guò)表面缺陷時(shí), 需克服表面缺陷產(chǎn)生的能量勢(shì)壘作用.液滴在圓環(huán)形槽表面上的鋪展原理圖如圖2 所示.

圖2 液滴在圓環(huán)形槽表面鋪展原理圖Fig.2.Schematic diagram of droplet spreading on ringgrooved structures.

液滴在光滑內(nèi)表面的固有接觸角為θY, 隨著液體的不斷注入, 接觸角變?yōu)榍斑M(jìn)接觸角θa, 0時(shí),接觸線開始沿著內(nèi)表面向邊緣處移動(dòng), 到達(dá)邊緣處產(chǎn)生釘扎, 邊緣處的表觀接觸角為θ.隨著液體的繼續(xù)補(bǔ)充, 液滴沿側(cè)壁移動(dòng)一段距離, 達(dá)到臨界接觸角θC后產(chǎn)生坍塌.臨界接觸角θC首先由Gibbs[15]提出, 以說(shuō)明兩光滑表面邊緣處的釘扎效應(yīng), 其表達(dá)式為

其中, θC為邊緣處的臨界接觸角, φ 為側(cè)壁傾斜角.可以看出, 表觀接觸角主要與前進(jìn)接觸角和側(cè)壁傾斜角有關(guān), 對(duì)特定結(jié)構(gòu)的材料而言, 表觀接觸角的變化最終受限于前進(jìn)接觸角.對(duì)于實(shí)際表面, 表觀接觸角通常由Gibbs 不等式來(lái)表征[2,25,28]:

其中, θ 為表觀接觸角, 即液滴切線與水平方向之間的夾角, θa為液滴在側(cè)壁上的前進(jìn)接觸角.對(duì)于光滑表面φ = 180°, 當(dāng)表面存在一固體邊緣時(shí)φ <180°, 因此邊緣處產(chǎn)生的釘扎效應(yīng)可提高接觸角.

Oliver[22]進(jìn)一步給出了液滴穩(wěn)定條件:

其中, φc為Oliver 給出的液滴穩(wěn)定時(shí)側(cè)壁傾斜角的臨界值.當(dāng)φ > φc時(shí), 隨液滴體積的增加, 液滴越過(guò)邊緣后, 處于穩(wěn)定狀態(tài), 并最終在重力作用下產(chǎn)生破裂; θa< φ < φc時(shí), 液滴越過(guò)邊緣后呈現(xiàn)不穩(wěn)定狀態(tài), 接觸線產(chǎn)生突然跳躍, 并沿著側(cè)壁產(chǎn)生擴(kuò)散[2,22].

液滴在表面上受到慣性力、表面張力、黏性力和重力作用.本實(shí)驗(yàn)中, 選取去離子水為研究對(duì)象,其毛細(xì)長(zhǎng)度lc[1]為

其中, γ 為液體的表面張力, ρ 為液體密度, g 為重力加速度.實(shí)驗(yàn)中圓環(huán)槽內(nèi)半徑ri= 1.5 mm < lc,因此可忽略重力效應(yīng)的影響.

通常采用We 數(shù)表征慣性力與表面張力之間的關(guān)系[1,31], 有:

其中, R 為液體的特征長(zhǎng)度, 取為R = 1.5 mm,v 為液體的進(jìn)樣速度v = 0.2 μL/s, 求得We < 0.02,此時(shí)慣性力可忽略.

采用Ca 數(shù)表征黏性力與表面張力之間的作用關(guān)系, 有:

其中, μ為液體黏度, 求得Ca < 10–5, 可認(rèn)為液滴在表面上的運(yùn)動(dòng)處于準(zhǔn)靜態(tài)過(guò)程.

2.3 試件制備

實(shí)驗(yàn)選取SiC 作為基體材料, 采用光纖激光打標(biāo)機(jī)在SiC 基體上加工環(huán)形溝槽, 并進(jìn)行二次拋光, 使用去離子水和丙酮清洗, 烘干后進(jìn)行液滴的鋪展實(shí)驗(yàn).圖3 以深100 μm, 寬1 mm 的圓環(huán)形溝槽為例, 給出采用DektakXT 臺(tái)階儀獲得的表面形貌圖及其二維輪廓圖.

由圖可見, 環(huán)槽內(nèi)表面為拋光平面, 測(cè)得表面粗糙度Ra為0.1 μm.環(huán)槽內(nèi)徑為di, 激光加工圓環(huán)形溝槽外徑為do, 槽深為h, 環(huán)槽內(nèi)壁傾角φ 為94°, 符合方程(4)的穩(wěn)定性條件.為表征方便, 定義環(huán)槽寬度w = (do–di)/2.

圖4 給出去離子水在光滑SiC 基體和激光織構(gòu)SiC 基體上的潤(rùn)濕性能.光滑表面上的固有接觸 角θY= 70°(圖4(a)), 其 前 進(jìn) 接 觸 角θa, 0=76.5°, 見圖4(b).激光加工后, 表面粗糙度增加(Ra為0.8 μm), 其親水性增強(qiáng), 固有接觸角θ1= 50°(圖4(c)), 織構(gòu)表面上的前進(jìn)接觸角為θa= 54°(圖4(d)).

前進(jìn)接觸角θa大于固有接觸角θ1, 主要是由于表面是不均勻的, 結(jié)構(gòu)的不均勻性必然會(huì)導(dǎo)致表面能障的存在, 阻止接觸線的移動(dòng), 導(dǎo)致表觀接觸角增大.固體邊緣的存在, 同樣會(huì)產(chǎn)生能量勢(shì)壘, 引起接觸角變化, 為更好的描述邊緣效應(yīng)的影響, 后續(xù)涉及到的接觸角均為側(cè)壁處前進(jìn)接觸角θa= 54°.

圖3 圓環(huán)槽形貌示意圖 (a) 表面形貌圖; (b) 二維輪廓圖(di = 3 mm, h = 100 μm, w = 1 mm)Fig.3.Schematic diagram of ring groove topography: (a) Surface topography; (b) 2D contour map (di = 3 mm, h = 100 μm, w =1 mm).

表1 SiC 圓環(huán)槽幾何參數(shù)表Table 1.Structural parameters of ring grooved on SiC surface.

相關(guān)研究表明, 內(nèi)表面半徑、進(jìn)樣速度等不影響邊緣處的最大接觸角[26].考慮激光加工特點(diǎn), 固定內(nèi)徑di= 3 mm, 改變槽深和槽寬進(jìn)行實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì).實(shí)驗(yàn)用圓環(huán)槽的幾何參數(shù)見表1.

圖4 SiC 圓環(huán)槽表面接觸角 (a) 光滑平面固態(tài)接觸角;(b) 光滑表面前進(jìn)接觸角; (c) 織構(gòu)表面固有接觸角; (d) 織構(gòu)表面前進(jìn)接觸角Fig.4.SiC ring groove surface contact angle: (a)Smooth plane static contact angle; (b) smooth surface advancing contact angle; (c) static contact angle of textured surface;(d) advancing contact angle of textured surface.

3 結(jié)果和討論

3.1 液滴的鋪展行為

圖5 所示為液滴在h = 290 μm, w = 1 mm圓環(huán)槽上的鋪展行為.由圖可見, 液滴在圓環(huán)槽上的鋪展分為4 個(gè)階段: 1)液滴體積逐漸增大, 液滴以前進(jìn)接觸角θa, 0為76.5°沿著光滑內(nèi)表面向邊緣處運(yùn)動(dòng)(圖5(a)); 2)液滴接觸線與邊緣接觸, 此時(shí)接觸角θ0維持為76.5°(圖5(b)); 3)液滴在邊緣處產(chǎn)生釘扎(圖5(c)), 隨著體積增大, 接觸角增大,破裂前達(dá)到最大θmax; 4)液滴失穩(wěn), 迅速的沿側(cè)壁鋪展, 浸潤(rùn)環(huán)槽后在外徑處繼續(xù)鋪展, 直到接觸角穩(wěn)定在θ'為68.5°(圖5(d)).

由階段1)到2), 液滴接觸角始終是恒定的,即拋光的光滑SiC 表面可視為各向同性結(jié)構(gòu), 進(jìn)樣速度不高時(shí), 液滴以恒定前進(jìn)接觸角向邊緣移動(dòng).由階段2)到3)運(yùn)動(dòng)時(shí), 液滴接觸線釘扎在邊緣處,隨體積增大, 接觸角增大, 直至達(dá)到最大接觸角138.5°, 同時(shí)對(duì)照俯視圖可見, 液滴始終釘扎在內(nèi)徑邊緣處.由階段3)到4)的俯視圖可以看出, 液滴接觸角達(dá)到最大值后繼續(xù)補(bǔ)充液體, 液滴失穩(wěn),其越過(guò)環(huán)槽外徑繼續(xù)鋪展, 并最終達(dá)到穩(wěn)定.

圖5 液滴在SiC 圓環(huán)槽的鋪展行為 (a)內(nèi)表面前進(jìn)液滴; (b) 內(nèi)邊緣前進(jìn)液滴; (c) 內(nèi)邊緣臨界液滴; (d) 破 裂液滴Fig.5.Spreading behavior of liquid drop in SiC ring groove:(a) Advancing drop on the inner surface; (b) advancing drop on inner edge; (c) inner edge critical drop; (d) breaking up.

由圖5(c)可見, 液滴在邊緣處的最大接觸角為138.5°, 小于Gibbs 方程式所求得的140°.產(chǎn)生這種現(xiàn)象, 可能是由于液滴振動(dòng)造成的, 也可能是由于表面粗糙度等因素產(chǎn)生的[23,32].

3.2 邊緣處的釘扎效應(yīng)

圖6 所示為去離子水在SiC 圓環(huán)槽內(nèi)表面的接觸角示意圖.液滴剛到達(dá)邊緣時(shí), 接觸角與光滑表面上的前進(jìn)接觸角一致, 為76.5°(圖6(a)).隨著液體的持續(xù)補(bǔ)充, 液滴體積增大, 接觸線尺寸基本不變或沿側(cè)壁產(chǎn)生緩慢移動(dòng), 必然導(dǎo)致接觸角增大, 如圖6(b)—6(g)所示, 液滴表觀接觸角由圖6(b)所示的93.4°增大至圖6(g)所示的133.3°.繼續(xù)補(bǔ)充液體, 到達(dá)圖6(h)時(shí), 液滴有最大體積28.2 μL,對(duì)應(yīng)有最大表觀接觸角138.5°.可見, 隨液滴體積增大, 在邊緣處接觸角呈現(xiàn)增加的趨勢(shì).這一結(jié)果與方程式(2)相符, 圓環(huán)槽邊緣的存在使釘扎效應(yīng)增強(qiáng), 接觸角增大.

產(chǎn)生這種現(xiàn)象主要是由于邊緣的存在產(chǎn)生能量勢(shì)壘, 阻礙液滴的進(jìn)一步鋪展, 為適應(yīng)液滴額外增加的體積, 必然導(dǎo)致液滴接觸角的增大.

3.3 槽深對(duì)液滴鋪展性能的影響

圖7 給出液滴在圓環(huán)槽(di= 3 mm, w = 1 mm)基體上, 最大表觀接觸角θmax隨槽深的變化曲線,試驗(yàn)所選參數(shù)見表1.由圖可見, 隨槽深增大, 接觸角呈現(xiàn)先增大后趨于穩(wěn)定的趨勢(shì).槽深h 為20 μm時(shí), θmax為115.5°; 當(dāng)h 增大到80 μm, θmax幾乎呈線性增大到138°, 隨后θmax基本保持不變, 這一結(jié)果與Oliver 等[22]、Kalinin 等[24]、Muller 等[26]的結(jié)果一致.同時(shí), 也與方程(2)的理論分析一致, 即初始達(dá)到θmax時(shí)從幾何關(guān)系上對(duì)應(yīng)著一穩(wěn)定的槽深值.宏觀上分析這一現(xiàn)象產(chǎn)生的原因, 可能是由于黏性效應(yīng)或機(jī)械振動(dòng)導(dǎo)致隨θmax增大液滴在側(cè)壁上的滑移長(zhǎng)度增大.當(dāng)滑移長(zhǎng)度小于槽深時(shí), 液滴處于穩(wěn)定狀態(tài), 隨液滴體積的持續(xù)增大, 達(dá)到臨界值后產(chǎn)生坍塌.當(dāng)滑移長(zhǎng)度大于槽深時(shí), 出現(xiàn)液滴與槽底的接觸, 此時(shí)液滴處于亞穩(wěn)態(tài), 微小的外力作用(如機(jī)械運(yùn)動(dòng))即可導(dǎo)致液滴破裂, 若繼續(xù)增加液體, 將導(dǎo)致液滴在表面張力作用下產(chǎn)生坍塌.

圖6 液滴在SiC 圓環(huán)形槽內(nèi)表面邊緣處的接觸角(h = 290 μm, w = 1 mm)Fig.6.Contact angle of the droplet at the edge of the inner surface of the SiC circular groove (h = 290 μm, w = 1 mm).

圖7 最大接觸角隨槽深的變化曲線(di =3 mm, w =1 mm)Fig.7.Variation curve of maximum contact angle with groove depth(di = 3 mm, w = 1 mm).

可以認(rèn)為, 液滴在圓環(huán)形槽邊緣處存在一臨界槽深hc, 即達(dá)到θmax時(shí)對(duì)應(yīng)的最小槽深值, 使液滴由穩(wěn)定狀態(tài)向亞穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)變.當(dāng)h > hc時(shí), 液滴在邊緣處于穩(wěn)定釘扎狀態(tài), θmax不隨槽深的變化而變化, 隨著液滴體積的持續(xù)增加, 當(dāng)達(dá)到臨界體積后產(chǎn)生液滴坍塌.當(dāng)h ≤ hc時(shí), 液滴處于亞穩(wěn)態(tài),θmax隨槽深的減小而顯著減小, 當(dāng)表觀接觸角達(dá)到θmax時(shí), 繼續(xù)增加液體, 使液滴在表面張力作用下產(chǎn)生坍塌.對(duì)于激光加工圓環(huán)槽的SiC 基體,hc為80 μm.

圖7 中當(dāng)h = 100 μm 時(shí)存在一較其它組略大的θmax, 可能是由于側(cè)壁表面粗糙度或表面污染等原因造成的.

當(dāng)前, 針對(duì)液滴在接觸線處的釘扎及其沿側(cè)壁的潤(rùn)濕鋪展過(guò)程有兩種主要觀點(diǎn): 1)液滴接觸角在內(nèi)表面首先增大到θmax, 然后沿側(cè)壁開始產(chǎn)生滑移[15]; 2)液滴在邊緣處接觸角增大的同時(shí), 并沒(méi)有固定在邊緣上, 而是同時(shí)產(chǎn)生側(cè)壁上的潤(rùn)濕[10,26].實(shí)驗(yàn)中當(dāng)h < hc時(shí), 隨深度減小, θmax呈線性減小, 因此認(rèn)為液滴的接觸角增大與沿側(cè)壁的潤(rùn)濕同時(shí)發(fā)生; 否則在所有環(huán)槽表面上, 接觸角都應(yīng)同時(shí)達(dá)到最大值之后, 再產(chǎn)生鋪展運(yùn)動(dòng).

3.4 槽寬對(duì)液滴鋪展性能的影響

對(duì)于di= 3 mm, h = 100 μm, 改變槽寬w,可得到θmax隨w 的變化曲線如圖8 所示.

圖8 最大接觸角隨槽寬的變化曲線Fig.8.Variation curve of maximum contact angle with groove width.

由圖可見, 當(dāng)w = 20 μm 時(shí), θmax= 123.3°;當(dāng)w > 40 μm 時(shí), θmax為134° ± 3°.即, 對(duì)于h =100 μm 處于穩(wěn)定釘扎狀態(tài)的圓環(huán)槽, 存在一臨界槽寬wc= 40 μm, 當(dāng)w < wc時(shí), θmax隨w 的增大而增大; 當(dāng)w ≥ wc時(shí), θmax隨槽寬的增大不再產(chǎn)生變化.這一結(jié)果與Wang 等[27]液滴接觸角隨溝槽尺寸的變化規(guī)律一致.采用極限分析法, 當(dāng)槽寬為無(wú)窮小時(shí)表面可視為光滑表面, 此時(shí)接觸角較小為光滑表面接觸角[27]; 當(dāng)槽寬為無(wú)窮大時(shí)表面可視為圓形凸臺(tái), 理想條件下接觸角應(yīng)穩(wěn)定在Gibbs臨界接觸角.

考慮液滴的運(yùn)動(dòng)特性分析產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因, 主要是由于當(dāng)槽深h > hc、槽寬w ≤ wc時(shí), 液滴在側(cè)壁上的前進(jìn)接觸角為54°, 由θa, h, w 之間的幾何關(guān)系可知, 液滴在接觸圓環(huán)槽底部之前先接觸圓環(huán)槽的外徑邊緣, 阻礙液滴運(yùn)動(dòng)的能量勢(shì)壘減小, 更易導(dǎo)致液滴的失穩(wěn)和鋪展?jié)櫇?因此w 越小,θmax越小; 當(dāng)w ≥ wc時(shí), θmax基本趨于穩(wěn)定.對(duì)于激光加工圓環(huán)槽的SiC 基體, wc為40 μm.

綜上可知, 當(dāng)w ≥ wc, h > hc時(shí), 液滴在邊緣處產(chǎn)生穩(wěn)定釘扎, θmax與槽深和槽寬無(wú)關(guān).當(dāng)w ≥wc, h ≤ hc時(shí), 液滴體積增大, 使邊緣處接觸角增大, 同時(shí), 液滴開始沿側(cè)壁運(yùn)動(dòng); 當(dāng)液滴接觸線觸到槽底時(shí), 液滴處于不穩(wěn)定狀態(tài), 繼續(xù)增加液體,微小外力作用使液滴坍塌; 此時(shí), 隨槽深減小,θmax呈線性迅速減小.對(duì)于h > hc處于穩(wěn)定釘扎的環(huán)槽, 當(dāng)w < wc時(shí), 液滴輪廓線在接觸槽底之前先接觸圓環(huán)槽外邊緣, 此時(shí)液滴運(yùn)動(dòng)的能量勢(shì)壘降低, 因此θmax隨槽寬減小而減小.

4 結(jié) 論

對(duì)SiC 表面激光加工圓環(huán)槽阻礙液體鋪展作用的邊緣效應(yīng)進(jìn)行了研究, 重點(diǎn)分析了圓環(huán)槽深度和寬度對(duì)邊緣潤(rùn)濕現(xiàn)象的影響規(guī)律.結(jié)果表明:

1)環(huán)槽內(nèi)表面處邊緣效應(yīng)可導(dǎo)致表觀接觸角的增大, 通過(guò)合理的參數(shù)設(shè)計(jì)可使SiC 表面液滴的表觀接觸角由70°增大為138.5°, 從而可實(shí)現(xiàn)表面液體鋪展運(yùn)動(dòng)的主動(dòng)控制.

2)邊緣處液滴接觸角增大的同時(shí)伴隨著沿環(huán)槽側(cè)壁的滑移, 滑移距離存在一極值, 即存在一臨界槽深hc.當(dāng)h ≤ hc時(shí), θmax隨h 的增大呈線性增大; 當(dāng)環(huán)槽深度h > hc時(shí), 液滴在邊緣處產(chǎn)生穩(wěn)定釘扎, θmax基本不變.對(duì)SiC 圓環(huán)槽而言, 其臨界深度為80 μm.

3)圓環(huán)槽寬度影響邊緣的阻礙作用, 寬度增大時(shí), 液滴跨越溝槽的能量壁壘增大.本研究中,槽寬在40 μm 范圍內(nèi)影響圓環(huán)槽對(duì)液體鋪展的阻礙作用, 槽寬大于40 μm 后液滴在邊緣產(chǎn)生穩(wěn)定釘扎.