本文摘要：摘要:陶瓷材料是天然或合成化合物經過成形和高溫燒結制成的一類無機非金屬材料，因其具有高熔點、高硬度、高耐磨性、耐氧化等優點而被廣泛應用。本文采用激光雕刻機在陶瓷表面進行不同類型的微織構加工，通過化學試劑降低表面自由能后，使其表面具備超疏水性
摘要:陶瓷材料是天然或合成化合物經過成形和高溫燒結制成的一類無機非金屬材料，因其具有高熔點、高硬度、高耐磨性、耐氧化等優點而被廣泛應用。本文采用激光雕刻機在陶瓷表面進行不同類型的微織構加工，通過化學試劑降低表面自由能后，使其表面具備超疏水性能。對制備的織構化表面進行了憎水性、液滴彈跳特性、抗結冰性、耐摩擦性能等試驗。研究結果表明:經過激光雕刻方法得到的織構化陶瓷表面由親水性變為疏水性，并且當織構的形狀為方柱時疏水性能最佳。
關鍵詞:陶瓷;超疏水;激光雕刻;最優織構
陶瓷因具有高硬度、耐熱、耐腐蝕性等優點而被廣泛應用于電力、航空航天等領域，但由于陶瓷表面的積染、結冰等特性不僅會造成大量的維護成本，還會對基礎設施造成一定程度的破壞[1-2]。因此，陶瓷的積染、結冰等特性已成為陶瓷廣泛應用的阻力之一。而在現有材料中，超疏水材料作為一種新型材料，具備一些優異的界面性質，如防結冰、防污染、防氧化等特性，在日常生活、工業生產、國防等領域都有廣泛的應用前景。
材料論文投稿刊物：《功能材料》(半月刊)創刊于1970年，是經原國家科委批準、由重慶儀表材料研究所和中國儀器儀表學會儀表材料學會共同主辦的綜合性材料科學技術刊物。
基于此特性，學者們希望將超疏水特性應用到陶瓷領域，利用超疏水的特有性質來彌補陶瓷的短板。目前，多種方法已被應用于構建超疏水表面，包括激光刻蝕法[3-5]、模板法[6-8]、靜電紡絲法[9-10]、溶膠凝膠法[11-13]、涂層法[14]等方法。由于激光具有方向性好、高能量密度、單色性好等特點，常被用于加工制備領域[15-17]。
激光加工技術也越來越成熟，具有可操作性強、成本低、無污染等優點。李晶等[18]利用激光技術在鋁基底表面加工微織構成功制造了低粘附雙疏表面，在抗結冰和自清潔方面表現優異;陳峒霖等[19]利用激光在聚二甲基硅氧烷表面成功制備出了仿蘆葦葉的超疏水表面;趙美云等[20]等利用激光雕在復合絕緣子硅橡膠表面加工各種不同的織構，得出了織構的形狀、間距和深度對疏水性的影響。本文試圖利用激光加工的方法以陶瓷為基底制得超疏水/疏冰表面，分析激光加工功率、織構寬度(直徑)和間距對各種類型織構表面疏水性的影響，并利用最優織構進行了表面抗冰性、抗磨性的測試。研究結果可以制備超疏水陶瓷，從而可以有效減少安全事故的發生次數并增大材料的應用范圍。
1試驗部分
1.1試樣制備試驗采用的樣品陶瓷為廣東英超陶瓷有限公司生產，其主要成分為SiO2:62。58%、Al2O3:24。42%、TiO2:1。51%、CaO:0。06%、MgO:0。35%及Fe2O3:3。32%等，試樣尺寸為30mm×50mm×10mm;將陶瓷試樣依次使用150-2000號砂紙進行打磨，再采用MP1金相試樣磨拋機對試樣表面進一步打磨拋光后，依次使用無水乙醇和去離子水在超聲波清洗機中清洗10min后干燥備用。
1.2表面織構加工采用D80M多功能激光雕刻機(激光器參數:定位精度為100μm，激光波長為10。64μm，最大平均功率為60W)在陶瓷表面加工出不同的織構。選取圓孔、橫向槽、方柱為表面織構類型。
2表面形貌分析為了研究激光雕刻機在對陶瓷表面加工時，陶瓷表面的織構是否為設計的尺寸及類型，并驗證激光加工方案是否可行與一致，利用Nanovea三維非接觸式表面形貌儀獲得試樣表面的三維形貌圖。為原始的陶瓷試樣和加工功率為36W、寬度/直徑(a)和間距(b)為200μm時試樣表面三維形貌圖。
3織構參數對表面疏水性影響分析使用JY-PHB型接觸角測量儀測量各織構表面的接觸角和滾動角，原始的陶瓷表面接觸角僅為56°，液滴落在原始的陶瓷表面直接被吸附，無滾動角或滾動角為90°，不同參數下各個織構表面的接觸角和滾動角變化,激光加工后的各織構表面與原始的陶瓷表面相比，接觸角由56°上升到110°以上，滾動角由90°降低到40°以下，表明各織構表面特性均由親水性轉變為疏水性。
4織構化陶瓷表面性能分析
4.1液滴在不同表面上的彈跳特性液滴在織構表面的彈跳次數及高度反應了織構表面對液滴的粘附程度，選取原始表面拋光和最優織構化表面試樣，利用千眼狼2F04M高速攝像機抓拍液滴(液滴的體積為4μL)從150mm處落下過程。
在原始陶瓷表面液滴無彈跳現象發生，液滴落在表面之后有輕微的上彈趨勢，但沒有離開試樣表面，經過幾次的壓縮-彈起變形后，最終幾乎平鋪在在陶瓷表面上，表明原始的陶瓷表面對液滴的黏附力較大;為液滴在橫向槽織構表面的彈跳過程，可以看到液滴掉落表面后明顯彈起，僅彈跳了一次，且未明顯脫離表面，72ms后基本達到穩定，接觸角明顯增大;為液滴在圓孔織構表面的彈跳過程，相較于橫向槽織構表面，液滴彈高度更高，完全脫離表面，且在84ms后基本達到穩定;為液滴在方柱織構表面的彈跳過程，可以看出液滴下落與表面接觸后快速彈起，彈起高度更高，然后落下后又重新彈起，經過反復彈跳后在102ms后基本達到穩定狀態。
可明顯看出此時液滴與表面接觸面積較小，接觸角較大，表面具有超疏水性。因此，可知液滴在織構化表面上具有較好的彈跳性和不穩定性，說明液滴與織構表面的黏附力減小了。且三者相較，液滴在方柱織構表面的彈跳次數最多，彈跳高度最高，表明對于陶瓷而言，方柱織構的陶瓷表面的黏附力較小，疏水效果最好。
由以上分析得知，與原始的陶瓷表面相比，各織構均有數次的壓縮-彈起變形，表明經過加工處理的試樣表面黏附力明顯降低，試樣的疏水性得到改善，與具有相同基底的織構而言，織構方柱表面的疏水性效果較好，圓孔次之，橫向槽織構表面的疏水性效果最差。
4.2表面抗冰特性
在原始的陶瓷表面及疏水性能最優的各織構試樣表面滴加40μL的液滴，貼好標簽并編上序號備用，將TEMI880系列濕溫度可程式控制器溫度設置為-10℃且濕度為80%時，待儀器中的溫度穩定在(-10±0。5)℃時依照標簽次序放入待測樣品并開始計時，通過窗口觀察，直到液滴完全變白時取出并結束計時。當時間為80s時，水滴在原始陶瓷表面已經開始出現冰晶，而3種織構表面的水滴仍然沒有變化;當時間為220s時，有織構表面的水滴才逐漸開始出現冰晶;當時間為280s時，橫向槽織構表面的水滴才完全結冰。
5結論
1)通過激光雕刻機在陶瓷表面加工出一系列的不同織構，經過化學試劑降低表面能可以使織構表面由親水性變為疏水性，合理的加工尺寸參數可以使其織構表面達到超疏水性質。2)加工功率、織構尺寸參數對不同的織構類型表面疏水性能影響不同:當加工功率為36W時，橫向槽和圓孔的加工尺寸為300μm，方柱的加工尺寸為200μm時3種織構表面疏水性最好。3)分別對3種織構類型表面疏水性最優的表面進行抗冰性、耐磨性測試比較，發現方柱織構具有較好的綜合性能。
參考文獻:
[1]馬崇，杜箏。輸電線路陶瓷絕緣子劣化原因分析[J]。華北電力技術，2006(7):51-54。
[2]雷楊俊，肖定全。真空中陶瓷絕緣子的沿面閃絡現象及其研究進展[J]。功能材料，2003，34(6):630-632，637。
作者：趙美云何錢雷波趙新澤
轉載請注明來自發表學術論文網：http://www.zpfmc.com/jzlw/25323.html
