纳秒激光微织构TC4表面的抗结冰能力

刘 玲,崔 静,杨广峰

(中国民航大学,天津 300300)

1 引 言

表面结冰是自然界中一种非常普遍的现象,但其严重影响了在极端条件下工作的航空航天设备安全。传统的除冰方法在实践应用中已经表现出其存在很多局限性,为此,高效除冰的表面的开发已经成为除冰研究的热点方向[1-5]。李杰等[6]利用激光辐射构造微结构得到疏水表面,主要是研究了其浸润性能,微米结构的存在对疏水性的增强起到了重要作用； 李晶[7]等人通过表面激光加工织构出一种微米尺度的特殊凹坑结构,该表面的水接触角最高可达到154.6°,对甘油的表观接触角最大为150.3°,同时在高温稳定性、低温度下抗结冰性能实验以及自清洁防污染方面均表现出优异的性能；GUO[8]等人采用激光加工和化学改性相结合的方法制备了两种表面形貌,主要是研究了不同温度下疏水表面的液滴结冰行为,发现点状的疏水表面的的结冰延迟行为比槽状结构的疏水表面明显。现有的研究大都集中于温度为-10 ℃以上的抑冰效果,很少报道疏水表面在温度为-10～-40 ℃条件下的抑冰性能。因此,本文利用纳秒脉冲激光对TC4进行织构化处理,来研究不同微结构对钛合金表面浸润性的影响以及其抗冰性能,以拓展钛合金的应用领域。

2 实验装置与方法

实验使用的基体材料为5 mm厚的TC4,用电火花线切割机切成15 mm×15 mm的样块,利用砂纸(80～2000目)将其打磨抛光到镜面。将样品放置在纳秒激光的工作台上(波长为1064 nm),本文所选用的激光功率为10 W,扫描速度为100 mm/s,激光扫描路径为井字形,采用不同的扫描间距(扫描间距分别为60 μm、80 μm和100 μm)对钛合金表面进行激光标刻。采用扫描电子显微镜(S-3400型,SEM)观测样品表面形貌的变化。采用接触角测量仪(JC2000D4M)对其润湿性进行表征。测试中选用样品表面的5个不同位置分别滴5 μl的去离子水,取其平均值来表征样品的润湿性能。采用自制的冷台实验装置对不同扫描间距的表面进行结冰实验,测量时周围环境温度为10 ℃,相对湿度为60 %,冷台温度设置为-15 ℃)。

3 分析与讨论

3.1 表面形貌特征分析

图1为不同激光间距下的样品形貌比较图。如图1(a)所示,加工间距为60 μm时,钛合金表层在激光束辐照下发生瞬间高温熔化,又快速在边缘冷却凝固。可以发现激光间距为60 μm的表面被紧密排列的类葫芦状的凸起结构覆盖,未显示出较明显的井字形结构。激光加工间距增加至80 μm时,构建的井字形结构相对排列整齐,形状规整(如图1(b1)所示)。当加工间距变为100 μm时,表面未经烧蚀的粗糙的钛合金表面完全显露出来,椭圆状金属飞溅物堆积在未经烧蚀的钛合金区域的边缘,与相互交错的凹坑形成了规则排列的井字形状凹槽结构。从图1(a2)、(b2)和(c2)可以看到钛合金表面上形成了微米量级的突起,同时还可以发现微米结构上覆盖了纳米量级的颗粒。

图1 不同间距下制备的钛合金表面的扫描电镜图片Fig.1 SEM pictures of the surface of titanium alloy prepared at different spacings

3.2 润湿性分析

图2为不同扫描间距的接触角、接触角滞后和分形维数曲线图。当扫描间距为60 μm时,接触角为137.11°,接触角滞后为4.91°,分形维数[9-15]为1.65。当间距为80 μm时,接触角增至为137.63°,接触角滞后为17.89°,分形维数为1.683；当间距变为100 μm时,接触角变为130.52°,接触角滞后为24.65°,分形维数为1.462。分析认为,在扫描间距为60～80 μm时,微结构中的细小颗粒可以存储大量的空气,增大气液的接触面积。而当加工间距大于80 μm后,表面颗粒尺寸的增大使存储的空气量减少,从而形成的接触角在逐渐减小。其扫描间距为60 m的表面接触角滞后最小,说明水滴在这个表面上容易滚动。分形维数随扫描间距的变化与接触角的变化趋势一致,说明分形维数增大,接触角也会增加。

图2 不同扫描间距的接触角、接触角滞后及分形维数图Fig.2 Contact angle,contact angle hysteresis and fractal dimension diagram of different scanning intervals

对表现较好的接触角滞后的间距为80 μm的表面进行了粘附性测试,如图3所示,通过升高样品所在的升降台去靠近水滴并挤压,然后再以同样的速度降低升降台,观察到水滴仍然悬挂在微量注射器,并重复几次试验。经测试证明间距为80 μm的样品表面具有稳定的低粘附性。

图3 不同样品表面的粘附性Fig.3 Adhesion of different sample surfaces

3.3 抗结冰性能分析

表面上原位静置水滴延迟结冰的时间会影响疏水表面的防冰性能。将扫描间距为60 μm的表面与未加工表面置于冷台中进行延迟结冰试验。如图4所示,延迟结冰效果最好的是扫描间距为60 μm的表面,在样品放进冷台后,在49 s的时候水滴失去透明性,在这段时间内,水滴与表面的接触状态不断发生变化,这是因为在周围环境温度降低的情况下,由于水遇冷体积就会变得膨胀,而空气反而是收缩,突起结构上的水滴与凹坑里的空气将会使表面状态发生改变,增大水滴与固体之间的接触面积。从开始结冰到完成结冰的过程中,水滴与表面的接触状态不再发生变化,因此可以根据水滴与表面的接触状态来判断均相降温和非均相结冰的临界点[16]。水滴与固体之间有一条分界线,由图4(a2)到(a3)可以观察到界面随时间前进的方向即由底部向顶部前进,整个结冰过程耗时72 s。结冰后,水滴发生体积膨胀,最终形成顶部带有小尖的桃形。这是因为氢键的性能[17-18]会在水滴凝固的时候会让水分子之间的结构重新按四面体结构排列,使得水分子之间的间距拉大,从而体积膨胀。

图4 扫描间距为60 μm的样品表面水滴结冰过程Fig.4 The icing process of water droplets on the sample surface with a scanning interval of 60 μm

图5(a)显示了同一水滴体积及同一过冷度下的水滴在不同表面下的冻结时间和冻结完成时间。未加工表面的水滴冻结完成时间为45 s；当扫描间距为60 μm时,从水滴落到表面至开始冻结的时间为72 s,是未加工表面的1.6倍；当扫描间距为100 μm时,从水滴落到表面至开始冻结的时间为53 s,是未加工表面的1.18倍；这是因为接触角越大的表面与冷板之间的接触面积就越小,水滴与空气之间的接触面积增大,冷板带走水滴的热量就少,周围的空气对水滴的加热作用就显著增强,水滴发生相变的时间也会增加,因而冻结时间就长；且可以看出加工之后的表面对延迟结冰都产生了一定的影响。图5(b)给出了不同扫描间距样品表面的结冰平均速率,可以看出,在相同体积的水滴、相同壁面温度条件下,未加工表面的结冰平均速率最高,其值为0.03329 mm/s,扫描间距为60 μm的表面的平均速率最低,其值为0.02778 mm/s,为未加工表面的0.83倍；由此可以看出且在激光加工处理之后,水滴的结冰平均生长效率都比未加工表面要低,且随着扫描间距的增加在逐渐上升,说明在激光加工之后,有效地延迟了结冰。由图5(c)可知,在冷表面温度为-10 ℃时的疏水表面的结冰时间高于冷表面温度为-15 ℃的样品表面。这是因为当温度降低时,液滴在材料表面上液滴有减小的趋势,水滴将会在材料表面铺展开来,但其速度比较缓慢,水滴将会进入到微小结构的间隙中去,将其中的空气挤出来,从而水滴与TC4表面的接触面积增大,加快了TC4冷表面传递给水滴的效率。与未加工表面的结冰时间(t=33 s)相比,不同间距的样品表面都表现出了明显的延迟结冰效应。

图5 不同扫描间距的水滴冻结变化Fig.5 The freezing changes of water droplets at different scanning intervals

4 结 论

(1)通过激光加工织构化的方法在钛合金表面构造微米级井字形结构,成功制备出疏水的表面。制备表面对水的静态接触角最大达到137.63°。激光加工处理后的表面在低粘附性实验中表现出了较好的稳定的低粘附性。

(2)抑冰实验表明,激光加工制备表面在温度为-15 ℃时,水滴的冻结完成时间为72 s,在温度为-10 ℃时,水滴的冻结完成时间延长,最长达到了339 s,且都体现了随着扫描间距的增加,冻结时间逐渐缩短,在激光扫描间距为60 μm的时候体现出来更优异的抗低温结冰能力。