納秒激光微織構TC4表面的抗結冰能力

劉 玲,崔 靜,楊廣峰

(中國民航大學,天津 300300)

1 引 言

表面結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備安全。傳統(tǒng)的除冰方法在實踐應用中已經(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]利用激光輻射構造微結構得到疏水表面,主要是研究了其浸潤性能,微米結構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出一種微米尺度的特殊凹坑結構,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改性相結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冰行為,發(fā)現(xiàn)點狀的疏水表面的的結冰延遲行為比槽狀結構的疏水表面明顯。現(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進行織構化處理,來研究不同微結構對鈦合金表面浸潤性的影響以及其抗冰性能,以拓展鈦合金的應用領域。

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。可以發(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構覆蓋,未顯示出較明顯的井字形結構。激光加工間距增加至80 μm時,構建的井字形結構相對排列整齊,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構。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)微米結構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,微結構中的細小顆粒可以存儲大量的空氣,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 抗結冰性能分析

表面上原位靜置水滴延遲結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冰試驗。如圖4所示,延遲結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,突起結構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。從開始結冰到完成結冰的過程中,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,整個結冰過程耗時72 s。結冰后,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構重新按四面體結構排列,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時間和凍結完成時間。未加工表面的水滴凍結完成時間為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,因而凍結時間就長；且可以看出加工之后的表面對延遲結冰都產(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,有效地延遲了結冰。由圖5(c)可知,在冷表面溫度為-10 ℃時的疏水表面的結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構的間隙中去,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)出了明顯的延遲結冰效應。

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

4 結 論

(1)通過激光加工織構化的方法在鈦合金表面構造微米級井字形結構,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,水滴的凍結完成時間為72 s,在溫度為-10 ℃時,水滴的凍結完成時間延長,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)異的抗低溫結冰能力。