納秒激光微織構(gòu)TC4表面的抗結(jié)冰能力

劉 玲,崔 靜,楊廣峰

(中國民航大學(xué),天津 300300)

1 引 言

表面結(jié)冰是自然界中一種非常普遍的現(xiàn)象,但其嚴重影響了在極端條件下工作的航空航天設(shè)備安全。傳統(tǒng)的除冰方法在實踐應(yīng)用中已經(jīng)表現(xiàn)出其存在很多局限性,為此,高效除冰的表面的開發(fā)已經(jīng)成為除冰研究的熱點方向[1-5]。李杰等[6]利用激光輻射構(gòu)造微結(jié)構(gòu)得到疏水表面,主要是研究了其浸潤性能,微米結(jié)構(gòu)的存在對疏水性的增強起到了重要作用； 李晶[7]等人通過表面激光加工織構(gòu)出一種微米尺度的特殊凹坑結(jié)構(gòu),該表面的水接觸角最高可達到154.6°,對甘油的表觀接觸角最大為150.3°,同時在高溫穩(wěn)定性、低溫度下抗結(jié)冰性能實驗以及自清潔防污染方面均表現(xiàn)出優(yōu)異的性能；GUO[8]等人采用激光加工和化學(xué)改性相結(jié)合的方法制備了兩種表面形貌,主要是研究了不同溫度下疏水表面的液滴結(jié)冰行為,發(fā)現(xiàn)點狀的疏水表面的的結(jié)冰延遲行為比槽狀結(jié)構(gòu)的疏水表面明顯?，F(xiàn)有的研究大都集中于溫度為-10 ℃以上的抑冰效果,很少報道疏水表面在溫度為-10～-40 ℃條件下的抑冰性能。因此,本文利用納秒脈沖激光對TC4進行織構(gòu)化處理,來研究不同微結(jié)構(gòu)對鈦合金表面浸潤性的影響以及其抗冰性能,以拓展鈦合金的應(yīng)用領(lǐng)域。

2 實驗裝置與方法

實驗使用的基體材料為5 mm厚的TC4,用電火花線切割機切成15 mm×15 mm的樣塊,利用砂紙(80～2000目)將其打磨拋光到鏡面。將樣品放置在納秒激光的工作臺上(波長為1064 nm),本文所選用的激光功率為10 W,掃描速度為100 mm/s,激光掃描路徑為井字形,采用不同的掃描間距(掃描間距分別為60 μm、80 μm和100 μm)對鈦合金表面進行激光標刻。采用掃描電子顯微鏡(S-3400型,SEM)觀測樣品表面形貌的變化。采用接觸角測量儀(JC2000D4M)對其潤濕性進行表征。測試中選用樣品表面的5個不同位置分別滴5 μl的去離子水,取其平均值來表征樣品的潤濕性能。采用自制的冷臺實驗裝置對不同掃描間距的表面進行結(jié)冰實驗,測量時周圍環(huán)境溫度為10 ℃,相對濕度為60 %,冷臺溫度設(shè)置為-15 ℃)。

3 分析與討論

3.1 表面形貌特征分析

圖1為不同激光間距下的樣品形貌比較圖。如圖1(a)所示,加工間距為60 μm時,鈦合金表層在激光束輻照下發(fā)生瞬間高溫熔化,又快速在邊緣冷卻凝固?？梢园l(fā)現(xiàn)激光間距為60 μm的表面被緊密排列的類葫蘆狀的凸起結(jié)構(gòu)覆蓋,未顯示出較明顯的井字形結(jié)構(gòu)。激光加工間距增加至80 μm時,構(gòu)建的井字形結(jié)構(gòu)相對排列整齊,形狀規(guī)整(如圖1(b1)所示)。當加工間距變?yōu)?00 μm時,表面未經(jīng)燒蝕的粗糙的鈦合金表面完全顯露出來,橢圓狀金屬飛濺物堆積在未經(jīng)燒蝕的鈦合金區(qū)域的邊緣,與相互交錯的凹坑形成了規(guī)則排列的井字形狀凹槽結(jié)構(gòu)。從圖1(a2)、(b2)和(c2)可以看到鈦合金表面上形成了微米量級的突起,同時還可以發(fā)現(xiàn)微米結(jié)構(gòu)上覆蓋了納米量級的顆粒。

圖1 不同間距下制備的鈦合金表面的掃描電鏡圖片F(xiàn)ig.1 SEM pictures of the surface of titanium alloy prepared at different spacings

3.2 潤濕性分析

圖2為不同掃描間距的接觸角、接觸角滯后和分形維數(shù)曲線圖。當掃描間距為60 μm時,接觸角為137.11°,接觸角滯后為4.91°,分形維數(shù)[9-15]為1.65。當間距為80 μm時,接觸角增至為137.63°,接觸角滯后為17.89°,分形維數(shù)為1.683；當間距變?yōu)?00 μm時,接觸角變?yōu)?30.52°,接觸角滯后為24.65°,分形維數(shù)為1.462。分析認為,在掃描間距為60～80 μm時,微結(jié)構(gòu)中的細小顆?？梢源鎯Υ罅康目諝?增大氣液的接觸面積。而當加工間距大于80 μm后,表面顆粒尺寸的增大使存儲的空氣量減少,從而形成的接觸角在逐漸減小。其掃描間距為60 m的表面接觸角滯后最小,說明水滴在這個表面上容易滾動。分形維數(shù)隨掃描間距的變化與接觸角的變化趨勢一致,說明分形維數(shù)增大,接觸角也會增加。

圖2 不同掃描間距的接觸角、接觸角滯后及分形維數(shù)圖Fig.2 Contact angle,contact angle hysteresis and fractal dimension diagram of different scanning intervals

對表現(xiàn)較好的接觸角滯后的間距為80 μm的表面進行了粘附性測試,如圖3所示,通過升高樣品所在的升降臺去靠近水滴并擠壓,然后再以同樣的速度降低升降臺,觀察到水滴仍然懸掛在微量注射器,并重復(fù)幾次試驗。經(jīng)測試證明間距為80 μm的樣品表面具有穩(wěn)定的低粘附性。

圖3 不同樣品表面的粘附性Fig.3 Adhesion of different sample surfaces

3.3 抗結(jié)冰性能分析

表面上原位靜置水滴延遲結(jié)冰的時間會影響疏水表面的防冰性能。將掃描間距為60 μm的表面與未加工表面置于冷臺中進行延遲結(jié)冰試驗。如圖4所示,延遲結(jié)冰效果最好的是掃描間距為60 μm的表面,在樣品放進冷臺后,在49 s的時候水滴失去透明性,在這段時間內(nèi),水滴與表面的接觸狀態(tài)不斷發(fā)生變化,這是因為在周圍環(huán)境溫度降低的情況下,由于水遇冷體積就會變得膨脹,而空氣反而是收縮,突起結(jié)構(gòu)上的水滴與凹坑里的空氣將會使表面狀態(tài)發(fā)生改變,增大水滴與固體之間的接觸面積。從開始結(jié)冰到完成結(jié)冰的過程中,水滴與表面的接觸狀態(tài)不再發(fā)生變化,因此可以根據(jù)水滴與表面的接觸狀態(tài)來判斷均相降溫和非均相結(jié)冰的臨界點[16]。水滴與固體之間有一條分界線,由圖4(a2)到(a3)可以觀察到界面隨時間前進的方向即由底部向頂部前進,整個結(jié)冰過程耗時72 s。結(jié)冰后,水滴發(fā)生體積膨脹,最終形成頂部帶有小尖的桃形。這是因為氫鍵的性能[17-18]會在水滴凝固的時候會讓水分子之間的結(jié)構(gòu)重新按四面體結(jié)構(gòu)排列,使得水分子之間的間距拉大,從而體積膨脹。

圖4 掃描間距為60 μm的樣品表面水滴結(jié)冰過程Fig.4 The icing process of water droplets on the sample surface with a scanning interval of 60 μm

圖5(a)顯示了同一水滴體積及同一過冷度下的水滴在不同表面下的凍結(jié)時間和凍結(jié)完成時間。未加工表面的水滴凍結(jié)完成時間為45 s；當掃描間距為60 μm時,從水滴落到表面至開始凍結(jié)的時間為72 s,是未加工表面的1.6倍；當掃描間距為100 μm時,從水滴落到表面至開始凍結(jié)的時間為53 s,是未加工表面的1.18倍；這是因為接觸角越大的表面與冷板之間的接觸面積就越小,水滴與空氣之間的接觸面積增大,冷板帶走水滴的熱量就少,周圍的空氣對水滴的加熱作用就顯著增強,水滴發(fā)生相變的時間也會增加,因而凍結(jié)時間就長；且可以看出加工之后的表面對延遲結(jié)冰都產(chǎn)生了一定的影響。圖5(b)給出了不同掃描間距樣品表面的結(jié)冰平均速率,可以看出,在相同體積的水滴、相同壁面溫度條件下,未加工表面的結(jié)冰平均速率最高,其值為0.03329 mm/s,掃描間距為60 μm的表面的平均速率最低,其值為0.02778 mm/s,為未加工表面的0.83倍；由此可以看出且在激光加工處理之后,水滴的結(jié)冰平均生長效率都比未加工表面要低,且隨著掃描間距的增加在逐漸上升,說明在激光加工之后,有效地延遲了結(jié)冰。由圖5(c)可知,在冷表面溫度為-10 ℃時的疏水表面的結(jié)冰時間高于冷表面溫度為-15 ℃的樣品表面。這是因為當溫度降低時,液滴在材料表面上液滴有減小的趨勢,水滴將會在材料表面鋪展開來,但其速度比較緩慢,水滴將會進入到微小結(jié)構(gòu)的間隙中去,將其中的空氣擠出來,從而水滴與TC4表面的接觸面積增大,加快了TC4冷表面?zhèn)鬟f給水滴的效率。與未加工表面的結(jié)冰時間(t=33 s)相比,不同間距的樣品表面都表現(xiàn)出了明顯的延遲結(jié)冰效應(yīng)。

圖5 不同掃描間距的水滴凍結(jié)變化Fig.5 The freezing changes of water droplets at different scanning intervals

4 結(jié) 論

(1)通過激光加工織構(gòu)化的方法在鈦合金表面構(gòu)造微米級井字形結(jié)構(gòu),成功制備出疏水的表面。制備表面對水的靜態(tài)接觸角最大達到137.63°。激光加工處理后的表面在低粘附性實驗中表現(xiàn)出了較好的穩(wěn)定的低粘附性。

(2)抑冰實驗表明,激光加工制備表面在溫度為-15 ℃時,水滴的凍結(jié)完成時間為72 s,在溫度為-10 ℃時,水滴的凍結(jié)完成時間延長,最長達到了339 s,且都體現(xiàn)了隨著掃描間距的增加,凍結(jié)時間逐漸縮短,在激光掃描間距為60 μm的時候體現(xiàn)出來更優(yōu)異的抗低溫結(jié)冰能力。