基于滑动轴承水气稳定超疏水表面的设计及验证

许 晨, 白 银, 杜长强

(宿州职业技术学院,安徽 宿州 234000)

在加工过程中,较为突出的问题便是温升、紊流和空化现象导致的轴承稳定性下降,随着以荷叶效应为代表的疏水表面技术[1]迅猛发展,界面滑移技术也成为解决以上问题的途径。研究发现,合理运用界面滑移现象可以极大地降低滑动轴承壁面摩擦力和减小发热,还可以提高轴承承载力以及改善功率损耗[2]。文献[3-5]研究的超疏水表面设计都是基于有空气存在于粗糙结构之间的气垫模型,而在无外界供气且高压条件下,何种表面形貌能够使固液间的气相稳定存在,仍需要进行深入的研究和实验。根据轴承工作过程中无外界空气供应的特点,引入了不依赖于空气的水气稳定超疏水表面设计方法,并选择多种结构的试样,对此方法进行了寿命实验和真空实验的验证。

1 基于滑动轴承水气稳定超疏水表面设计

1.1 常规超疏水表面设计及改进设想

超疏水性和表面滑移实现的前提是使基底表面粗糙化,所以合理的表面微纳结构设计尤为重要。在过去的研究中,超疏水表面主要针对表面粗糙结构内封闭一部分空气(存在一层气垫)的Cassie模型进行研究。在此模型中,部分空气由周围环境提供,液滴在粗糙结构表面悬挂,处于能量比较低的状态,进而保证了表面不润湿。但是,滑动轴承工作在封闭的系统中,粗糙化基底将不再与大气相连,随着系统温度或者压强等条件的改变,空气就会从凹坑或沟槽中逸散,结构表面就会转变为润湿状态,对工作稳定性造成影响。

基于水气稳定性基底表面设计,尝试建立如图1所示模型,此模型包含4个方形凸起和基底,并定义结构的宽度a、间距b和高度H。

图1 周期性凸起模型

1.2 水气稳定超疏水表面的设计

与常规设计不同,本文前提假设是在此凹槽中没有空气存在,而是在液体中溶解的水气自动填充于粗糙结构之间,这样的设计能否不依赖于空气使液体处于Cassie状态[6]。假定液体为水,工作于室温(T= 298 K)和10个大气压(P= 1 MPa)下,液气两相的化学势处处相等(热平衡和化学平衡);基底假设为疏水,接触角为120°。同时,做如下假设:

①基底在一定的温度和压力下浸入液体中,液体相当于连接着恒定温度和压力的水箱,即等压等温封闭系统模型。 ②在此微单元内不考虑液体的重力。在此状态下,能考虑的函数就简化为了吉布斯自由能。需要注意的是,气相并不是恒温恒压的。

液-气相变图如图2所示,以液体(A点)在粗糙沟槽中(恒温)转变为非稳定气态(B点)的状态为切入点,根据化学平衡,液气两相间的压差可以计算得出。

图2 液-气相变图

处于高压的液体和处于低压的水气通过弯月面达到力学平衡,如图1中界面位置所示。弯月面的半径由Young-Laplace 方程可以得出:

Rco=2σlv/(PA-PB)

(1)

其中,σlv为液气表面张力,取液体水的σlv=72 mN·m,因此可以计算出Rco≈145 nm。

假设水气为理想气体,其压强公式为:

(2)

其中,Pl为液体在A点的压力;PV为水气在B点的压力;Psat为饱和气压,也就是液气共存线在温度T对应的压力(图中C点);Vl为液体的分子比容;RU为气体常数。

力学平衡还需要液气界面与固体壁面的接触角等于液滴在微结构表面的平衡接触角(θC,假设为120°),如果基底材料是疏水的,那么在微结构顶部的边缘处就会满足此条件。如果材料是亲水的,那么接触角的条件就无法满足,达不到平衡状态。液体在疏水微结构表面通过弯月面存在的状态可以满足热学、化学和力学平衡条件,这个状态只是表示液气可以存在的一种稳定平衡状态,具体还需要分析整个系统的能量关系,以保证Cassie状态是处于低能量的稳定状态。下面以等热等压状态来分析系统的可行性,假定参考基态为充满液体、微沟槽内没有气体存在,所有的能量都跟此参考基态进行对比。那么与此基态关联的有水气充满沟槽状态的可行度为:

A=Ssvσlvcosθc+Slvσlv-(PV-Pl)Vv

(3)

其中,Ssv为固气接触面积;Slv为液气接触面积。

在计算液气接触面积时,将弯月面近似为平面来处理(如图1中的虚线)。此处理在结构间距b小于弯月面半径Rco时是可行的。在其他参数已知时,此条件仅由粗糙几何结构的参数(a,b,H)来决定气相是否稳定,为了保证液体存在于结构顶部而不进入沟槽内部,那么公式:

(4)

在实际应用过程中,表面结构之间一般是预先存在填充空气的,而且外界供液时往往也会混合空气,因此本文计算得出的是极限状态下的最小尺寸值。

2 水气稳定性设计方法的实验验证

为了验证水气稳定性设计方法的正确性与可行性,选取具有不同特征尺寸参数结构的基片进行实验测试。

2.1 水中寿命实验

将各样片浸没于有水的烧杯中进行水中寿命实验。由于疏水表面存在一层气膜封闭于结构之间,因此会有液固和液气两种接触界面。当从垂直方向观测时,呈现出样片本身的颜色,而当从侧边角度观测时,由于气膜的折射作用,样片表面会出现闪亮的银色。因此,可以根据颜色观测判断各样片疏水性随时间变化的情况。以喷涂的SiO2样片为例,小结构疏水的SiO2-1号样片随时间的变化不大,仍呈现闪亮的银色;而普通喷涂工艺的SiO2-2号样片在初始时表面出现了大量的小气泡,随着时间的推移,小气泡越来越少直至最终消失,同时颜色也越来越暗。这说明由结构封闭住的气体并不能稳定存在于结构内部,而是随时间的推移慢慢逸散出来,所以侧视图颜色越来越深。在72 h后,将SiO2-2号样片从烧杯中取出,发现样品表面已完全润湿。在127 d之后,对SiO2-1样片进行取出检测,发现表面仍然干燥,保持了超疏水性。

在对每种样片都进行72 h以上的寿命实验后,发现只有本身是亲水特性的SiO2-2样片表面完全润湿,呈现出了超亲水状态,其他样片表面都保持干燥。分析原因为SiO2-2样片由于是喷涂工艺制作,其表面结构呈现出随机与无规律性,内部结构的深度较浅,对气体很难封闭,造成了气体的散逸,呈现出了亲水特性,最终表现为完全润湿状态。而其他样品由于深度较大或结构特征尺寸很小,所以很容易使气体封闭于结构之间,气体不容易散逸,保持了疏水特性。

2.2 水中真空实验

在寿命实验之后对样片进行干燥处理,进行水中真空实验。在标准大气压和室温下水气的饱和压力为3.17 kPa,因此真空实验选定两种真空压力:23.33 kPa和1 kPa,以检测在有空气存在的情况下和只有水气存在的情况下的实验结果。图2所示为微柱SP两个样片(左边2个)和2个微沟槽样片(右边2个)在23.33 kPa下的抽真空过程和74 h后的测试结果。可以看出,抽真空过程中有大量的气泡逸出,水中的气泡直接逸出,而微结构表面的气泡会从小慢慢变大,与周围气泡合并,然后从表面脱落。在23.33 kPa下74 h后,微结构的样片在都已失去疏水效果。

图2 微结构样片的真空实验

所有样片在寿命实验和2种真空度下的测试结果如表1所列。表中“干”代表测试过程结束后表面依然保持干燥状态,而“湿”是指表面已经呈现润湿特性。由表测试结果可看出,除了本身就是亲水性的样片SiO2-2以外,其余样片的测试结果均与理论预测相一致,即测试压强在水气饱和压力3.17 kPa以下只有水气存在时,结构间距小于300 nm样片的才能保持疏水性。这也证明了基于水气设计的超疏水表面在空气状态下仍然有效,而基于空气状态设计的超疏水表面却很难在水气状态下保持疏水状态。

表1 寿命实验及真空实验测试结果

3 结束语

针对传统基于空气气垫的疏水表面设计方法的不足,引进了基于水气而不依赖于空气的新型超疏水表面设计方法,并对不同表面结构样片的寿命以及不同真空度对水气稳定性影响进行了实验验证,进行了样片内部填充状态的观察,验证了设计方法的合理性,为下一步向滑动轴承应用打下了基础。