高速微钻削构建孔阵列疏水表面

弯艳玲，杨健

（长春理工大学 机电工程学院，长春 130022）

自然界中植物的叶片以及一些动物的表面均具有超疏水性，其中最具代表性的便是荷叶。德国生物学家C.Neinhuis和W.Barthlott首先对荷叶表面的疏水性现象进行了研究，认为微米结构与纳米结构组成的分级结构和表面疏水蜡状物质使荷叶表面具有疏水性。疏水表面由于其具有自清洁、减阻、抗冰霜、防腐蚀等优异性能，在建筑领域、纺织品领域、液体输送领域、生物医学领域等各个领域有着广泛的应用前景。各国学者受荷叶表面微纳米复合结构的启发，纷纷采用各种先进的技术手段在金属基体表面构建微纳米粗糙结构。其中包括：平板印刷技术[1]、相分离技术[2]、模板法[3]、相分离与自组装法等，但这些表面制备方法大多数都试验条件苛刻，试验成本高，需要二次化学物质修饰，不易大规模制备等缺点，致使超疏水表面无法在生产生活中得到广泛应用[4]。随着微纳技术不断的发展，微切削技术的应用领域越来越广泛，与微铣削相比，微钻削在加工圆孔时的效率更高并且能够加工深孔。在铝合金表面加工微孔阵列结构，研究了铝合金表面微孔加工质量与进给量的变化规律，并对加工后铝合金表面的疏水性能进行了测量，以期达到提高铝合金表面微孔结构的表面加工质量，改变材料表面的疏水性能。

1 实验研究

1.1 实验条件

利用高速精密微铣削机床在6061铝合金表面构建微孔阵列结构。采用激光共聚焦显微镜、超景深显微镜和扫描电镜对样件尺寸精度、表面形貌及加工质量进行检测，采用自制接触角测量仪对铝合金表面疏水性能进行观测，液滴大小为3μL，每个样本测量5次，取其平均值。

1.2 试验方法

在微钻削过程中，切削参数的选择直接影响到孔的加工尺寸精度和表面质量。微钻削和微铣削一样都需要高转速，根据机床实际加工性能，把进给量作为单一变量，其它试验条件及参数不变，其中钻头直径为200μm，主轴转速为30000r/min，进行钻削试验，对钻削后的孔质量及尺寸精度进行观测，优化加工工艺参数。然后，利用已优化参数进行微孔阵列的构建，加工后的样件依次用丙酮、无水乙醇、去离子水超声清洗5分钟，室温下风干待用。

图1 微孔阵列结构示意图

2 实验结果与分析

2.1 微孔加工质量

铝合金表面微阵列结构的加工质量直接影响水滴在铝合金表面的静态接触角及疏水的稳定性。合理的切削参数能够提高工件整体加工质量，尺寸精度并且能够增加刀具使用寿命、保证加工过程的平稳。不同进给量钻出的孔质量如图2所示。从图中可以看出，钻削出来的小孔圆度都很高，孔入口虽然有的有毛刺但是总体规整，说明微钻削加工出来的孔质量和精度较高。当进给量为0.001mm/r时，孔入口处表面相对于其他三组实验质量最好（图2）。分析原因，可能是因为进给量过小接近最小切削厚度，工件与刀具相互挤压作用导致的，同时因进给量过小钻头在工件内停留时间较长，其相互摩擦作用时间长，孔内壁伴有烧蚀现象产生（如图3a）。而进给量过大，会直接导致钻削力增大，引起刀具震颤影响加工稳定性，从图3b、3c可以看出孔壁呈起伏条纹状。通过对孔的尺寸检测（见表1），当进给量为0.001r/mm时，孔的直径尺寸更加接近刀具直径真值。综合考虑选取以下参数：主轴转速S=30000r/min，进给量为0.001mm/r，进行微孔阵列加工。

图2 微孔形貌图

图3 内孔表面质量

表1 钻削参数

2.2 表面微观结构和疏水性能

图4与图5为铝合金表面构建的微孔阵列形貌图，由图可知，微孔排列整齐，形状基本一致，圆孔周围呈倾斜状带有少量毛刺，这主要是因为，铝合金材料硬度较低，在切削过程中，随着刀具的运动，材料受刀具挤压沿孔周围方向流动，切削继续进行，被去除材料的内部应力和应变持续增加，直到应力值与材料屈服极限相当时，被去除材料便发生塑性变形，工件受到不断挤压，工件材料内部所受应力达到材料的断裂极限，便形成了切屑，有少部分材料流动到孔外侧形成了毛刺。

图4 微孔阵列形貌图

图5 微孔阵列形貌图（不同孔间距）

继续放大孔边缘部位，可知由于钻头橫刃接触工件时，钻头受力急剧增大，钻削状态不平稳，刀具易发生震颤，在孔入口处形成阶梯状的结构。对加工后的样件进行疏水性能测试，并与抛光后的金属表面的接触角进行对比，试验结果见图6。抛光后铝合金表面接触角为50°（见图7a）。由图6可知，接触角大小受孔间距和深度影响，变化趋势为，随着孔间距的增大，接触角变小，孔深度增加，铝合金表面接触角变大。

图6 孔阵列结构几何参数与接触角统计

图7 水滴在加工前后与铝合金表面接触状态

2.3 疏水机理分析

液滴在固体表面稳定后的接触角是由固体表面张力、液滴自身重力、粘附力相互平衡的结果，此外，外部环境因素（例如温度、压强、振动、声、光等）都能够影响水滴与固体表面的接触状态[5]。为了鉴别水滴与铝合金表面的接触状态，将微孔阵列的设计尺寸代入Wenzel模型（式1）和Cassie模型（式2）进行非复合接触状态和复合接触状态下的理论接触角计算：

式中，r为固-液接触区实际面积和水滴底部在水平投影方向上的投影面积之比，因此r≥1，r值越大，Wenzel模型计算接触角越小。

式中，fS为固-液接触区实际面积和水滴底部在水平投影方向上的投影面积之比（表示水滴与固体的接触面占复合界面的面积分数），相应地，1-fS则表示水滴与空气的接触界面所占的面积分数。很明显fS≤1。于是，当fS趋近于0，也就是当固－液接触区为一个理想点时，表面接触角为180°。说明减小fS值（增加接触区空气垫的比例），能够提高Cassie-Baxter模型计算接触角。

理论接触角计算结果如图6所示。将铝合金表面实际测量接触角与理论接触角对比发现，实际接触角与Wenzel模型的理论计算值相差较大，与Cassie模型的理论计算值接近，可知水滴与铝合金表面接触状态趋于Cassie模型。又因为实际接触角随微孔深度变化而变化，可以判断水滴与铝合金表面处于Cassie-Baxter复合润湿接触与Wenzel非复合润湿接触之间的过渡状态。其中有些实际测量接触角数值比Cassie模型理论数值要大，这主要是由于钻削过程中刀具漫游运动、刀具切削用量等影响，使得实际加工尺寸与设计尺寸有偏差，另一方面，由于铝合金材料硬度较低，钻削过程中在圆孔周围形成了一定数量的毛刺，增大了表面粗糙度，当液滴与固体接触时，由于这些二级结构表面凹坑的存在减少了水滴与固体表面的接触面积。水滴浸入微孔过程及孔内压力变化可由式（3）-（5）来理解。当水滴落在铝合金表面，水还未浸入到微孔中时，水滴对孔内气体压力可以表示为：

其中，ρ为水的密度，g为重力加速度，h为水滴顶端到铝合金表面的距离，P0为大气压强。

水滴由于毛细作用趋于流入孔内，逐步提高了孔内压力Pc，直到液体重力、内聚力、外界阻力之间达到平衡。每一个微孔中气压Pc和Vc与水滴未浸入微孔状态时孔内气压P0和体积V0可由公式（4）表示：

压力变化可由式（5）表示：

其中，γ为水的表面张力，θ为水滴与微孔铝合金表面实际接触角，R为微孔半径。

从图6中可以看出，随着孔间距逐渐增大铝合金表面实际接触角呈减小状态，可知液滴润湿状态从复合接触状态向非复合润湿状态过渡，当接触角变小，水滴顶端到铝合金表面距离h变小，ΔP变大，当ΔP达到一定数值，气体会因压力作用下在液体中溶解，可以预见当孔距增大到一定数值，水滴与铝合金表面会呈现Wenzel接触状态[6，7]。

将构建的微孔阵列铝合金表面与光滑铝合金表面的疏水性能相比，构建微孔阵列后的铝合金表面的接触角最大提高至113°，达到了疏水效应，如图7（b）。由此可知，周期性排列的微孔阵列提高了铝合金表面的粗糙度，刀具钻削形成的微纳米结构使液滴在铝合金表面的铺展受阻，从而提高了金属表面的疏水性，初步实现了利用高速精密微钻削技术无需修饰直接在亲水材料上制备出具有疏水性能的金属表面。

3 结论

（1）微钻削每齿进给量对微孔表面质量影响较大，钻头直径为200μm，主轴转速为30000r/min时，每齿进给量为0.001mm/r，微孔加工质量最好。

（2）周期性排列的微孔阵列提高了铝合金表面的粗糙度，实现了金属表面疏水性能的改变。表面接触角随着孔间距增大而减小，随深度增加接触角有所提升。

（3）疏水机理分析，液滴与微孔阵列结构表面的接触状态不是单纯的Wenzel模型或是Cassie模型，而是Wenzel润湿状态向Cassie润湿状态转换的一种混合状态。