電火花線切割制備超疏水銅表面的正交試驗

許金凱，張林帥，彎艷玲，廉中旭，于化東

（長春理工大學 機電工程學院，長春 130022）

超疏水表面由于其疏水、自潔、減阻、抗污染等性能，在生物醫用［1］、管道微流［2］、抗菌用品［3］、太陽能電池板［4］等領域有著極為廣泛的應用。金屬基超疏水材料是以金屬為基體，在其表面制備特殊粗糙結構，再進行低表面能物質修飾，從而達到超疏水效果。金屬基超疏水材料由于使用金屬基體，在很大程度上保留了金屬的優良性能，同時具備超疏水材料的功能［5］。目前金屬基體表面微納結構的制備方法有：化學刻蝕方法［6，7］、熱氧化法［8］、電化學加工方法［9，10］、激光刻蝕法［11］、溶膠凝膠法［12，13］。但是，這些方法操作復雜或需要較為昂貴的設備，限制了金屬基超疏水表面的工業化生產。

高速電火花線切割是精密加工的一種，不僅適用于金屬表面的微細加工，且加工效率較高，具有優于普通加工的優勢。高速電火花線切割技術比較容易加工出兼具微米、納米復合結構的金屬表面，且結構尺寸大小可以通過調節加工參數進行控制。本文通過電火花線切割加工技術，在銅基材料表面構建復合粗糙結構，經自組裝技術處理后實現金屬基超疏水表面的制備。采用試驗優化方法對電火花線切割加工中的脈沖寬度、脈沖間隔和功率管等放電參數進行了正交優化，采用方差分析方法獲取超疏水銅表面的制備參數，并分析加工參數對銅基材料表面疏水性能的影響，為超疏水功能性銅表面的制備提供技術參考和理論支撐。

1 試驗

1.1 試驗材料和儀器

材料：黃銅；甲醇；全氟癸基三乙氧基硅烷；丙酮；無水乙醇；去離子水。

儀器：OCA20型視頻光學接觸角測量儀（德國）、JMS-6700FI冷場發射掃描電子顯微鏡（日本）、BK-240B超聲振蕩清洗儀、NB-9123A干燥箱、UNIPoL-802拋光機、DK7732電火花線切割機床。

1.2 試驗方法

為保證加工表面的平整，采用拋光機對黃銅表面進行拋光，然后在電火花線切割機床上進行粗糙結構的加工，加工后的試樣依次采用丙酮、無水乙醇、去離子水在超聲振蕩清洗儀中清洗。然后放置在質量比為1：100的全氟癸基三乙氧基硅烷和甲醇混合溶液中，浸泡40min后取出，最后放入135℃的干燥箱中烘干40min待測。

1.3 測試與表征

采用視頻光學接觸角測量儀測量試件表面的靜態接觸角和滾動角，同一試樣選取5個不同的位置分別測量（水滴放置1min后進行測量），取其平均值。水滴大小為5μL。滾動角的測試方法采取先傾后滴法，即先將滾動角測量滑臺傾斜適當角度，然后讓水滴落在試件表面上，觀察水滴是否滑落表面，若滑落則記錄此時傾斜角度，即為所測滾動角。采用掃描電子顯微鏡觀察樣品表面形貌。

2 試驗結果與分析

2.1 正交試驗優化及方差分析

電火花線切割機床在切割時，高頻率的連續放電會在工件表面產生微小的隕石坑，通過變化電火花線切割機床的脈沖寬度、脈沖間隔和峰值電流（功率管個數）等放電參數會形成不同的表面形貌，實現對加工表面的有效控制。為獲取最佳的超疏水表面加工參數，采用L9（34）正交表［14］優化電火花線切割加工參數，以加工后的表面靜態接觸角（CA）為試驗指標值。

在電火花線切割黃銅表面時發現，當脈沖間隔為48μs，加工時會出現斷絲現象；而當增大脈沖間隔至144μs時，加工速度會有明顯下降。此外，由于脈沖間隔對試樣表面形貌影響較小，且增大脈沖間隔時，試樣表面仍表現出超疏水性能。綜合考慮到電火花線切割機床的加工速度和效率，因素水平選取如表1所示，采用方差分析方法對試驗結果進行分析，試驗方案及結果見表2。

表1 因素水平表

表2中：yjk為第 j因素k水平時所對應的試驗指標和；Δj為第 j因素的極差；Sf為列偏差平方和；Fj為因素的F比；aj為相應因素的顯著水平；Se為誤差偏差平方和；f為誤差自由度；Sn為空列的偏差平方和。

由表2分析可知，脈沖間隔對試樣指標的影響最大，功率管個數次之，脈沖寬度影響最小。本實驗的最優組合為A1B1C3，即當脈沖寬度為32μs，脈沖間隔為128μs，功率管為2個時，試驗指標最好，置信度為90%。此時，試樣表面的接觸角為156.42°，滾動角為3°。如圖1所示水滴在該試樣表面的形態呈球狀。此時試樣表面形成了隕石坑-突起復合結構（圖2），由Cassie潤濕機理可知［15］，當水滴和試樣表面相接觸時，隕石坑-突起復合結構可以捕獲了大量空氣，形成“氣墊”效應，增大了水滴與空氣的接觸面積（水滴與空氣接觸面積占復合界面的86.51%），從而實現了超疏水性能。

圖1 水滴在銅表面的接觸狀態

表2 試驗方案及方差分析

此外，在電火花線切割加工參數對銅表面疏水性能影響的正交試驗中，樣品表面的接觸角除個別試樣外均大于150°，說明了電火花線切割加工和自組裝技術相結合對超疏水銅表面的制備具有很好的適用性，為超疏水功能表面的工業化生產提供了技術參考。此外，將加工的試樣放在空氣中3～4個月后，接觸角測量結果未發生明顯變化，表明了制備的超疏水銅表面具有良好的穩定性。

2.2 各因素對表面靜態接觸角的影響規律

為研究各因素對試件表面靜態接觸角的影響規律，根據正交試驗結果分別以靜態接觸角CA為指標繪制成圖3所示曲線。

圖3為各個因素水平對試件表面靜態接觸角的影響規律。由圖3（a）可知，當脈沖寬度在16～32μs范圍變化時，隨著脈沖寬度的增加，試樣表面的接觸角增大。分析其原因，在電火花線切割加工過程中，當脈沖寬度較小時，脈沖放電能量較小，試樣表面產生的隕石坑尺寸較小，試件表面的質量較好，其表面粗糙程度不高；當脈沖寬度增加時，切割速度增加，但表面質量下降，試件表面的隕石坑直徑和表面峰谷間距均增大，而突起數目減少，獲得了超疏水表面所需的粗糙結構，且隨著粗糙度的增加，接觸角變大，在氟化處理后，表面呈現疏水性。

由圖3（b）可知，當脈沖間隔在64～128μs范圍變化時，隨著脈沖間隔的增大，接觸角增大，但兩者呈非線性變化。在電火花線切割加工過程中脈沖間隔影響電蝕物的排出，過小的脈沖間隔會導致電蝕物的堆積，不僅影響加工精度，而且容易斷絲。因此，在電火花加工疏水物質表面時，選擇合適的脈沖間隔是獲得超疏水表面的條件之一，也是保證加工精度和加工效率的有效手段。

由圖3（c）可知，隨著功率管個數的增加，試樣表面的接觸角減小。這是因為，當功率管個數較少時，單個脈沖能量越小，在銅表面產生的放電痕較小，隕石坑的間距變小，但間徑比有可能提高，試件單位面積儲存空氣的能力得到提高，故試件表面接觸角增大。由單因素試驗可知，當脈沖寬度為32μs，脈沖間隔為128μs，當功率管為2個時，試樣表面的隕石坑尺寸小，突起較多，表面峰谷最大間距約為26.30μm。而當功率管個數為6時，試樣表面的隕石坑結構較大，表面峰谷最大間距增大到33.36μm。

綜上所述，在電火花加工過程中，加工參數直接影響試件表面的微觀結構，而微觀結構是超疏水表面制備的重要因素之一，只有一定尺度和比值的微觀結構才可以形成超疏水性表面。

3 結論

通過改變電火花線切割加工參數可以實現銅表面復合粗糙結構尺寸和疏水性能的加工控制，為確定超疏水銅表面的最佳加工參數，通過正交試驗方法優化了超疏水銅表面的加工工藝，并分析了電火花線切割機床的脈沖寬度、脈沖間隔和功率管個數與黃銅表面疏水性能的關系，結論如下：

（1）脈沖間隔對試樣指標的影響最大，功率管個數次之，脈沖寬度影響最小。當脈沖寬度為32μs，脈沖間隔為128μs，功率管為2個時，制備的銅表面接觸角最好為156.42°，并具有良好的時間穩定性。

（2）水滴在銅表面的超疏水狀態源于電火花加工過程在試樣表面形成的隕石坑-突起復合結構能捕獲大量的空氣，在銅表面形成了“氣墊”效應，從而增大了水滴與空氣的接觸面積。

綜上所述，在電火花加工過程中，為獲得較好的疏水性能，必須嚴格控制電火花線切割加工參數，但由于電加工過程中復雜的加工機理以及不同超疏水形貌結構參數的要求，還需要更多的實驗數據來驗證和歸納電火花線切割技術加工超疏水表面的工藝參數和基本規律。

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