基于滑動(dòng)軸承水氣穩(wěn)定超疏水表面的設(shè)計(jì)及驗(yàn)證

許 晨, 白 銀, 杜長(zhǎng)強(qiáng)

(宿州職業(yè)技術(shù)學(xué)院,安徽 宿州 234000)

在加工過程中,較為突出的問題便是溫升、紊流和空化現(xiàn)象導(dǎo)致的軸承穩(wěn)定性下降,隨著以荷葉效應(yīng)為代表的疏水表面技術(shù)[1]迅猛發(fā)展,界面滑移技術(shù)也成為解決以上問題的途徑。研究發(fā)現(xiàn),合理運(yùn)用界面滑移現(xiàn)象可以極大地降低滑動(dòng)軸承壁面摩擦力和減小發(fā)熱,還可以提高軸承承載力以及改善功率損耗[2]。文獻(xiàn)[3-5]研究的超疏水表面設(shè)計(jì)都是基于有空氣存在于粗糙結(jié)構(gòu)之間的氣墊模型,而在無外界供氣且高壓條件下,何種表面形貌能夠使固液間的氣相穩(wěn)定存在,仍需要進(jìn)行深入的研究和實(shí)驗(yàn)。根據(jù)軸承工作過程中無外界空氣供應(yīng)的特點(diǎn),引入了不依賴于空氣的水氣穩(wěn)定超疏水表面設(shè)計(jì)方法,并選擇多種結(jié)構(gòu)的試樣,對(duì)此方法進(jìn)行了壽命實(shí)驗(yàn)和真空實(shí)驗(yàn)的驗(yàn)證。

1 基于滑動(dòng)軸承水氣穩(wěn)定超疏水表面設(shè)計(jì)

1.1 常規(guī)超疏水表面設(shè)計(jì)及改進(jìn)設(shè)想

超疏水性和表面滑移實(shí)現(xiàn)的前提是使基底表面粗糙化,所以合理的表面微納結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)尤為重要。在過去的研究中,超疏水表面主要針對(duì)表面粗糙結(jié)構(gòu)內(nèi)封閉一部分空氣(存在一層氣墊)的Cassie模型進(jìn)行研究。在此模型中,部分空氣由周圍環(huán)境提供,液滴在粗糙結(jié)構(gòu)表面懸掛,處于能量比較低的狀態(tài),進(jìn)而保證了表面不潤(rùn)濕。但是,滑動(dòng)軸承工作在封閉的系統(tǒng)中,粗糙化基底將不再與大氣相連,隨著系統(tǒng)溫度或者壓強(qiáng)等條件的改變,空氣就會(huì)從凹坑或溝槽中逸散,結(jié)構(gòu)表面就會(huì)轉(zhuǎn)變?yōu)闈?rùn)濕狀態(tài),對(duì)工作穩(wěn)定性造成影響。

基于水氣穩(wěn)定性基底表面設(shè)計(jì),嘗試建立如圖1所示模型,此模型包含4個(gè)方形凸起和基底,并定義結(jié)構(gòu)的寬度a、間距b和高度H。

圖1 周期性凸起模型

1.2 水氣穩(wěn)定超疏水表面的設(shè)計(jì)

與常規(guī)設(shè)計(jì)不同,本文前提假設(shè)是在此凹槽中沒有空氣存在,而是在液體中溶解的水氣自動(dòng)填充于粗糙結(jié)構(gòu)之間,這樣的設(shè)計(jì)能否不依賴于空氣使液體處于Cassie狀態(tài)[6]。假定液體為水,工作于室溫(T= 298 K)和10個(gè)大氣壓(P= 1 MPa)下,液氣兩相的化學(xué)勢(shì)處處相等(熱平衡和化學(xué)平衡);基底假設(shè)為疏水,接觸角為120°。同時(shí),做如下假設(shè):

①基底在一定的溫度和壓力下浸入液體中,液體相當(dāng)于連接著恒定溫度和壓力的水箱,即等壓等溫封閉系統(tǒng)模型。 ②在此微單元內(nèi)不考慮液體的重力。在此狀態(tài)下,能考慮的函數(shù)就簡(jiǎn)化為了吉布斯自由能。需要注意的是,氣相并不是恒溫恒壓的。

液-氣相變圖如圖2所示,以液體(A點(diǎn))在粗糙溝槽中(恒溫)轉(zhuǎn)變?yōu)榉欠€(wěn)定氣態(tài)(B點(diǎn))的狀態(tài)為切入點(diǎn),根據(jù)化學(xué)平衡,液氣兩相間的壓差可以計(jì)算得出。

圖2 液-氣相變圖

處于高壓的液體和處于低壓的水氣通過彎月面達(dá)到力學(xué)平衡,如圖1中界面位置所示。彎月面的半徑由Young-Laplace 方程可以得出:

Rco=2σlv/(PA-PB)

(1)

其中,σlv為液氣表面張力,取液體水的σlv=72 mN·m,因此可以計(jì)算出Rco≈145 nm。

假設(shè)水氣為理想氣體,其壓強(qiáng)公式為:

(2)

其中,Pl為液體在A點(diǎn)的壓力;PV為水氣在B點(diǎn)的壓力;Psat為飽和氣壓,也就是液氣共存線在溫度T對(duì)應(yīng)的壓力(圖中C點(diǎn));Vl為液體的分子比容;RU為氣體常數(shù)。

力學(xué)平衡還需要液氣界面與固體壁面的接觸角等于液滴在微結(jié)構(gòu)表面的平衡接觸角(θC,假設(shè)為120°),如果基底材料是疏水的,那么在微結(jié)構(gòu)頂部的邊緣處就會(huì)滿足此條件。如果材料是親水的,那么接觸角的條件就無法滿足,達(dá)不到平衡狀態(tài)。液體在疏水微結(jié)構(gòu)表面通過彎月面存在的狀態(tài)可以滿足熱學(xué)、化學(xué)和力學(xué)平衡條件,這個(gè)狀態(tài)只是表示液氣可以存在的一種穩(wěn)定平衡狀態(tài),具體還需要分析整個(gè)系統(tǒng)的能量關(guān)系,以保證Cassie狀態(tài)是處于低能量的穩(wěn)定狀態(tài)。下面以等熱等壓狀態(tài)來分析系統(tǒng)的可行性,假定參考基態(tài)為充滿液體、微溝槽內(nèi)沒有氣體存在,所有的能量都跟此參考基態(tài)進(jìn)行對(duì)比。那么與此基態(tài)關(guān)聯(lián)的有水氣充滿溝槽狀態(tài)的可行度為:

A=Ssvσlvcosθc+Slvσlv-(PV-Pl)Vv

(3)

其中,Ssv為固氣接觸面積;Slv為液氣接觸面積。

在計(jì)算液氣接觸面積時(shí),將彎月面近似為平面來處理(如圖1中的虛線)。此處理在結(jié)構(gòu)間距b小于彎月面半徑Rco時(shí)是可行的。在其他參數(shù)已知時(shí),此條件僅由粗糙幾何結(jié)構(gòu)的參數(shù)(a,b,H)來決定氣相是否穩(wěn)定,為了保證液體存在于結(jié)構(gòu)頂部而不進(jìn)入溝槽內(nèi)部,那么公式:

(4)

在實(shí)際應(yīng)用過程中,表面結(jié)構(gòu)之間一般是預(yù)先存在填充空氣的,而且外界供液時(shí)往往也會(huì)混合空氣,因此本文計(jì)算得出的是極限狀態(tài)下的最小尺寸值。

2 水氣穩(wěn)定性設(shè)計(jì)方法的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證水氣穩(wěn)定性設(shè)計(jì)方法的正確性與可行性,選取具有不同特征尺寸參數(shù)結(jié)構(gòu)的基片進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)試。

2.1 水中壽命實(shí)驗(yàn)

將各樣片浸沒于有水的燒杯中進(jìn)行水中壽命實(shí)驗(yàn)。由于疏水表面存在一層氣膜封閉于結(jié)構(gòu)之間,因此會(huì)有液固和液氣兩種接觸界面。當(dāng)從垂直方向觀測(cè)時(shí),呈現(xiàn)出樣片本身的顏色,而當(dāng)從側(cè)邊角度觀測(cè)時(shí),由于氣膜的折射作用,樣片表面會(huì)出現(xiàn)閃亮的銀色。因此,可以根據(jù)顏色觀測(cè)判斷各樣片疏水性隨時(shí)間變化的情況。以噴涂的SiO2樣片為例,小結(jié)構(gòu)疏水的SiO2-1號(hào)樣片隨時(shí)間的變化不大,仍呈現(xiàn)閃亮的銀色;而普通噴涂工藝的SiO2-2號(hào)樣片在初始時(shí)表面出現(xiàn)了大量的小氣泡,隨著時(shí)間的推移,小氣泡越來越少直至最終消失,同時(shí)顏色也越來越暗。這說明由結(jié)構(gòu)封閉住的氣體并不能穩(wěn)定存在于結(jié)構(gòu)內(nèi)部,而是隨時(shí)間的推移慢慢逸散出來,所以側(cè)視圖顏色越來越深。在72 h后,將SiO2-2號(hào)樣片從燒杯中取出,發(fā)現(xiàn)樣品表面已完全潤(rùn)濕。在127 d之后,對(duì)SiO2-1樣片進(jìn)行取出檢測(cè),發(fā)現(xiàn)表面仍然干燥,保持了超疏水性。

在對(duì)每種樣片都進(jìn)行72 h以上的壽命實(shí)驗(yàn)后,發(fā)現(xiàn)只有本身是親水特性的SiO2-2樣片表面完全潤(rùn)濕,呈現(xiàn)出了超親水狀態(tài),其他樣片表面都保持干燥。分析原因?yàn)镾iO2-2樣片由于是噴涂工藝制作,其表面結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)出隨機(jī)與無規(guī)律性,內(nèi)部結(jié)構(gòu)的深度較淺,對(duì)氣體很難封閉,造成了氣體的散逸,呈現(xiàn)出了親水特性,最終表現(xiàn)為完全潤(rùn)濕狀態(tài)。而其他樣品由于深度較大或結(jié)構(gòu)特征尺寸很小,所以很容易使氣體封閉于結(jié)構(gòu)之間,氣體不容易散逸,保持了疏水特性。

2.2 水中真空實(shí)驗(yàn)

在壽命實(shí)驗(yàn)之后對(duì)樣片進(jìn)行干燥處理,進(jìn)行水中真空實(shí)驗(yàn)。在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓和室溫下水氣的飽和壓力為3.17 kPa,因此真空實(shí)驗(yàn)選定兩種真空壓力:23.33 kPa和1 kPa,以檢測(cè)在有空氣存在的情況下和只有水氣存在的情況下的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。圖2所示為微柱SP兩個(gè)樣片(左邊2個(gè))和2個(gè)微溝槽樣片(右邊2個(gè))在23.33 kPa下的抽真空過程和74 h后的測(cè)試結(jié)果。可以看出,抽真空過程中有大量的氣泡逸出,水中的氣泡直接逸出,而微結(jié)構(gòu)表面的氣泡會(huì)從小慢慢變大,與周圍氣泡合并,然后從表面脫落。在23.33 kPa下74 h后,微結(jié)構(gòu)的樣片在都已失去疏水效果。

圖2 微結(jié)構(gòu)樣片的真空實(shí)驗(yàn)

所有樣片在壽命實(shí)驗(yàn)和2種真空度下的測(cè)試結(jié)果如表1所列。表中“干”代表測(cè)試過程結(jié)束后表面依然保持干燥狀態(tài),而“濕”是指表面已經(jīng)呈現(xiàn)潤(rùn)濕特性。由表測(cè)試結(jié)果可看出,除了本身就是親水性的樣片SiO2-2以外,其余樣片的測(cè)試結(jié)果均與理論預(yù)測(cè)相一致,即測(cè)試壓強(qiáng)在水氣飽和壓力3.17 kPa以下只有水氣存在時(shí),結(jié)構(gòu)間距小于300 nm樣片的才能保持疏水性。這也證明了基于水氣設(shè)計(jì)的超疏水表面在空氣狀態(tài)下仍然有效,而基于空氣狀態(tài)設(shè)計(jì)的超疏水表面卻很難在水氣狀態(tài)下保持疏水狀態(tài)。

表1 壽命實(shí)驗(yàn)及真空實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果

3 結(jié)束語

針對(duì)傳統(tǒng)基于空氣氣墊的疏水表面設(shè)計(jì)方法的不足,引進(jìn)了基于水氣而不依賴于空氣的新型超疏水表面設(shè)計(jì)方法,并對(duì)不同表面結(jié)構(gòu)樣片的壽命以及不同真空度對(duì)水氣穩(wěn)定性影響進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,進(jìn)行了樣片內(nèi)部填充狀態(tài)的觀察,驗(yàn)證了設(shè)計(jì)方法的合理性,為下一步向滑動(dòng)軸承應(yīng)用打下了基礎(chǔ)。