高速微鉆削構建孔陣列疏水表面

彎艷玲，楊健

（長春理工大學 機電工程學院，長春 130022）

自然界中植物的葉片以及一些動物的表面均具有超疏水性，其中最具代表性的便是荷葉。德國生物學家C.Neinhuis和W.Barthlott首先對荷葉表面的疏水性現象進行了研究，認為微米結構與納米結構組成的分級結構和表面疏水蠟狀物質使荷葉表面具有疏水性。疏水表面由于其具有自清潔、減阻、抗冰霜、防腐蝕等優異性能，在建筑領域、紡織品領域、液體輸送領域、生物醫學領域等各個領域有著廣泛的應用前景。各國學者受荷葉表面微納米復合結構的啟發，紛紛采用各種先進的技術手段在金屬基體表面構建微納米粗糙結構。其中包括：平板印刷技術[1]、相分離技術[2]、模板法[3]、相分離與自組裝法等，但這些表面制備方法大多數都試驗條件苛刻，試驗成本高，需要二次化學物質修飾，不易大規模制備等缺點，致使超疏水表面無法在生產生活中得到廣泛應用[4]。隨著微納技術不斷的發展，微切削技術的應用領域越來越廣泛，與微銑削相比，微鉆削在加工圓孔時的效率更高并且能夠加工深孔。在鋁合金表面加工微孔陣列結構，研究了鋁合金表面微孔加工質量與進給量的變化規律，并對加工后鋁合金表面的疏水性能進行了測量，以期達到提高鋁合金表面微孔結構的表面加工質量，改變材料表面的疏水性能。

1 實驗研究

1.1 實驗條件

利用高速精密微銑削機床在6061鋁合金表面構建微孔陣列結構。采用激光共聚焦顯微鏡、超景深顯微鏡和掃描電鏡對樣件尺寸精度、表面形貌及加工質量進行檢測，采用自制接觸角測量儀對鋁合金表面疏水性能進行觀測，液滴大小為3μL，每個樣本測量5次，取其平均值。

1.2 試驗方法

在微鉆削過程中，切削參數的選擇直接影響到孔的加工尺寸精度和表面質量。微鉆削和微銑削一樣都需要高轉速，根據機床實際加工性能，把進給量作為單一變量，其它試驗條件及參數不變，其中鉆頭直徑為200μm，主軸轉速為30000r/min，進行鉆削試驗，對鉆削后的孔質量及尺寸精度進行觀測，優化加工工藝參數。然后，利用已優化參數進行微孔陣列的構建，加工后的樣件依次用丙酮、無水乙醇、去離子水超聲清洗5分鐘，室溫下風干待用。

圖1 微孔陣列結構示意圖

2 實驗結果與分析

2.1 微孔加工質量

鋁合金表面微陣列結構的加工質量直接影響水滴在鋁合金表面的靜態接觸角及疏水的穩定性。合理的切削參數能夠提高工件整體加工質量，尺寸精度并且能夠增加刀具使用壽命、保證加工過程的平穩。不同進給量鉆出的孔質量如圖2所示。從圖中可以看出，鉆削出來的小孔圓度都很高，孔入口雖然有的有毛刺但是總體規整，說明微鉆削加工出來的孔質量和精度較高。當進給量為0.001mm/r時，孔入口處表面相對于其他三組實驗質量最好（圖2）。分析原因，可能是因為進給量過小接近最小切削厚度，工件與刀具相互擠壓作用導致的，同時因進給量過小鉆頭在工件內停留時間較長，其相互摩擦作用時間長，孔內壁伴有燒蝕現象產生（如圖3a）。而進給量過大，會直接導致鉆削力增大，引起刀具震顫影響加工穩定性，從圖3b、3c可以看出孔壁呈起伏條紋狀。通過對孔的尺寸檢測（見表1），當進給量為0.001r/mm時，孔的直徑尺寸更加接近刀具直徑真值。綜合考慮選取以下參數：主軸轉速S=30000r/min，進給量為0.001mm/r，進行微孔陣列加工。

圖2 微孔形貌圖

圖3 內孔表面質量

表1 鉆削參數

2.2 表面微觀結構和疏水性能

圖4與圖5為鋁合金表面構建的微孔陣列形貌圖，由圖可知，微孔排列整齊，形狀基本一致，圓孔周圍呈傾斜狀帶有少量毛刺，這主要是因為，鋁合金材料硬度較低，在切削過程中，隨著刀具的運動，材料受刀具擠壓沿孔周圍方向流動，切削繼續進行，被去除材料的內部應力和應變持續增加，直到應力值與材料屈服極限相當時，被去除材料便發生塑性變形，工件受到不斷擠壓，工件材料內部所受應力達到材料的斷裂極限，便形成了切屑，有少部分材料流動到孔外側形成了毛刺。

圖4 微孔陣列形貌圖

圖5 微孔陣列形貌圖（不同孔間距）

繼續放大孔邊緣部位，可知由于鉆頭橫刃接觸工件時，鉆頭受力急劇增大，鉆削狀態不平穩，刀具易發生震顫，在孔入口處形成階梯狀的結構。對加工后的樣件進行疏水性能測試，并與拋光后的金屬表面的接觸角進行對比，試驗結果見圖6。拋光后鋁合金表面接觸角為50°（見圖7a）。由圖6可知，接觸角大小受孔間距和深度影響，變化趨勢為，隨著孔間距的增大，接觸角變小，孔深度增加，鋁合金表面接觸角變大。

圖6 孔陣列結構幾何參數與接觸角統計

圖7 水滴在加工前后與鋁合金表面接觸狀態

2.3 疏水機理分析

液滴在固體表面穩定后的接觸角是由固體表面張力、液滴自身重力、粘附力相互平衡的結果，此外，外部環境因素（例如溫度、壓強、振動、聲、光等）都能夠影響水滴與固體表面的接觸狀態[5]。為了鑒別水滴與鋁合金表面的接觸狀態，將微孔陣列的設計尺寸代入Wenzel模型（式1）和Cassie模型（式2）進行非復合接觸狀態和復合接觸狀態下的理論接觸角計算：

式中，r為固-液接觸區實際面積和水滴底部在水平投影方向上的投影面積之比，因此r≥1，r值越大，Wenzel模型計算接觸角越小。

式中，fS為固-液接觸區實際面積和水滴底部在水平投影方向上的投影面積之比（表示水滴與固體的接觸面占復合界面的面積分數），相應地，1-fS則表示水滴與空氣的接觸界面所占的面積分數。很明顯fS≤1。于是，當fS趨近于0，也就是當固－液接觸區為一個理想點時，表面接觸角為180°。說明減小fS值（增加接觸區空氣墊的比例），能夠提高Cassie-Baxter模型計算接觸角。

理論接觸角計算結果如圖6所示。將鋁合金表面實際測量接觸角與理論接觸角對比發現，實際接觸角與Wenzel模型的理論計算值相差較大，與Cassie模型的理論計算值接近，可知水滴與鋁合金表面接觸狀態趨于Cassie模型。又因為實際接觸角隨微孔深度變化而變化，可以判斷水滴與鋁合金表面處于Cassie-Baxter復合潤濕接觸與Wenzel非復合潤濕接觸之間的過渡狀態。其中有些實際測量接觸角數值比Cassie模型理論數值要大，這主要是由于鉆削過程中刀具漫游運動、刀具切削用量等影響，使得實際加工尺寸與設計尺寸有偏差，另一方面，由于鋁合金材料硬度較低，鉆削過程中在圓孔周圍形成了一定數量的毛刺，增大了表面粗糙度，當液滴與固體接觸時，由于這些二級結構表面凹坑的存在減少了水滴與固體表面的接觸面積。水滴浸入微孔過程及孔內壓力變化可由式（3）-（5）來理解。當水滴落在鋁合金表面，水還未浸入到微孔中時，水滴對孔內氣體壓力可以表示為：

其中，ρ為水的密度，g為重力加速度，h為水滴頂端到鋁合金表面的距離，P0為大氣壓強。

水滴由于毛細作用趨于流入孔內，逐步提高了孔內壓力Pc，直到液體重力、內聚力、外界阻力之間達到平衡。每一個微孔中氣壓Pc和Vc與水滴未浸入微孔狀態時孔內氣壓P0和體積V0可由公式（4）表示：

壓力變化可由式（5）表示：

其中，γ為水的表面張力，θ為水滴與微孔鋁合金表面實際接觸角，R為微孔半徑。

從圖6中可以看出，隨著孔間距逐漸增大鋁合金表面實際接觸角呈減小狀態，可知液滴潤濕狀態從復合接觸狀態向非復合潤濕狀態過渡，當接觸角變小，水滴頂端到鋁合金表面距離h變小，ΔP變大，當ΔP達到一定數值，氣體會因壓力作用下在液體中溶解，可以預見當孔距增大到一定數值，水滴與鋁合金表面會呈現Wenzel接觸狀態[6，7]。

將構建的微孔陣列鋁合金表面與光滑鋁合金表面的疏水性能相比，構建微孔陣列后的鋁合金表面的接觸角最大提高至113°，達到了疏水效應，如圖7（b）。由此可知，周期性排列的微孔陣列提高了鋁合金表面的粗糙度，刀具鉆削形成的微納米結構使液滴在鋁合金表面的鋪展受阻，從而提高了金屬表面的疏水性，初步實現了利用高速精密微鉆削技術無需修飾直接在親水材料上制備出具有疏水性能的金屬表面。

3 結論

（1）微鉆削每齒進給量對微孔表面質量影響較大，鉆頭直徑為200μm，主軸轉速為30000r/min時，每齒進給量為0.001mm/r，微孔加工質量最好。

（2）周期性排列的微孔陣列提高了鋁合金表面的粗糙度，實現了金屬表面疏水性能的改變。表面接觸角隨著孔間距增大而減小，隨深度增加接觸角有所提升。

（3）疏水機理分析，液滴與微孔陣列結構表面的接觸狀態不是單純的Wenzel模型或是Cassie模型，而是Wenzel潤濕狀態向Cassie潤濕狀態轉換的一種混合狀態。