SiC 表面圓環槽邊緣效應實驗研究*

于子恒 馬春紅 白少先

1) (浙江工業大學, 機械工程學院, 杭州 310023)

2) (浙江科技學院, 機械與能源工程學院, 杭州 310023)

基于固體邊緣效應, 對碳化硅(SiC)表面激光加工圓環形溝槽的潤濕特性進行實驗研究, 通過分析去離子水在圓環槽上的潤濕性能及其在邊緣處的鋪展行為, 獲得了環槽深度與環槽寬度對液滴在邊緣處最大表觀接觸角的影響規律.結果表明, SiC 圓環槽阻礙液滴鋪展, 光滑基體表面上接觸角為70°, 激光加工圓環槽深度為290 μm, 寬度為1 mm 時, 接觸角可達138.5°.隨槽深的增大, 接觸角呈現先增大后趨于穩定的趨勢,臨界槽深為80 μm.當槽深小于該極值時, 接觸角隨槽深的增大而線性增大; 當槽深大于該極值時, 液滴處于穩定釘扎狀態, 接觸角趨于穩定, 其穩定值符合Gibbs 不等式.環槽寬度存在一臨界值40 μm.當槽寬低于該值時,液滴接觸環槽外緣后越過溝槽繼續在平面上鋪展; 當槽寬大于該值時, 接觸角趨于穩定, 液滴沿邊緣鋪展.

1 引 言

表面幾何邊緣處, 存在液體在毛細力作用下也不能移動的釘扎現象, 這阻礙了液體的鋪展, 使接觸角增大, 形成固體邊緣效應[1?3].基于邊緣效應的研究表明[4?8], 通過合理的表面形貌設計, 可實現對表面液滴鋪展的有效限制, 這一結果已廣泛應用于微芯片組裝的對準[9]、液滴失穩防護[10]、各向異性織構制備[11]、毛細管制備[12]及微流控裝置的防漏[13]、機身表面冷凝除水[14]等場合, 也為軸承、密封等工程表面潤滑流體的流失控制提供了潛在應用途徑.

Gibbs 等[15]首先提出Gibbs 方程式, 在幾何角度上探討了邊緣處表觀接觸角與邊緣傾角和前進接觸角之間的關系.Du 等[16]和Qiao 等[17]針對液滴在不同結構表面上的形態研究表明表面能量勢壘對液滴形態起到至關重要的作用.Kim 等[18]的研究表明, 液滴形態和釘扎點位置受重力的影響.Wang 等[19]實驗研究了不規則結構的邊緣效應, 結果表明銳邊對接觸線有很強的釘扎作用, 能顯著改變接觸角及其潤濕狀態.通過合理的設計邊緣處的形狀、尺寸及結構等參數, 可利用邊緣效應實現液滴的穩定釘扎, 減緩液滴鋪展.Ma 等[20]和Tóth 等[21]對比分析了方形和圓柱形結構邊緣處的潤濕狀態, 結果表明相同表面面積, 圓柱形結構能釘扎更大的液滴.

為更好地理解圓柱形槽邊緣效應對液滴鋪展行為的影響規律, 已有學者開展了材料屬性[22]、傾角[2,22?24]、側壁表面粗糙度[24,25]、側壁高度[9,24,26]等參數的影響研究, 結果表明上述參數均影響固體的邊緣效應, 通過改善邊緣尺寸、選取合適材料等方法, 可有效提高邊緣處的最大接觸角.Chang 等[9]對液滴在不同側壁高度微芯片上邊緣效應的研究表明, 側壁高度對接觸線釘扎和自定線過程均有影響, 側壁高度大于280 nm 可實現液滴的穩定釘扎.Oliver 等[22]研究了鋁盤表面上液滴的鋪展行為,證實了液滴在邊緣處釘扎時的Gibbs 條件, 發現液滴在側壁同一高度處達到一固定的臨界接觸角; 然而, 在90°側壁傾角的藍寶石表面并不存在這一現象.Kalinin 等[24]采用微加工技術加工圓柱凸臺,結果表明微加工表面可大大提高液滴在邊緣處的最大接觸角: 當環高大于2 μm 時邊緣效應顯著,且最大接觸角不再隨高度變化; 環高小于2 μm, 最大接觸角隨環高的減小而減小; 研究結果同時表明, 最大接觸角的大小與環寬無關.Muller 等[26]實驗研究了液滴在高為200 nm—31.8 μm 的圓柱形硅片上的邊緣效應, 表明高度在630 nm 以內,柱面存在對接觸角無影響; 小于7.2 μm 時, 最大接觸角隨高度的增大呈線性增大; 高于7.2 μm 后,接觸線釘扎基本穩定.研究同時表明, 柱面半徑、進樣速度及濕度等參數不影響邊緣處的最大接觸角及其潤濕性轉變.Wang 等[27]對溝槽織構上液滴的各向異性研究表明, 液滴在垂直于溝槽方向上的鋪展行為受溝槽尺寸的影響顯著.隨溝槽寬度的增大, 液滴接觸角呈先增大后減小的趨勢, 當槽寬為128 μm 時接觸角存在最大值.基于側壁粗糙度對邊緣效應的影響研究表明[23,28], 不光滑的側面使得表面粗糙度與宏觀幾何形貌之間的關系更加復雜.相較于上述微觀結構的研究, 密封端面上宏觀結構對承載能力和密封性能的影響顯著.潤濕界面對潤滑油膜厚度有顯著影響[29], 因此研究固體邊緣效應對液滴鋪展特性的影響對于探討密封設計與優化具有十分重要的意義.

目前, 針對SiC 基體的邊緣效應, 尤其是結構參數的影響規律研究較為欠缺.本文選取密封常用材料SiC 為研究對象, 采用激光加工工藝在基體上制備不同槽深和槽寬的圓環槽, 分別探討了去離子水在圓環槽上的鋪展特性、邊緣處的釘扎效應等現象, 在此基礎上研究了槽深和槽寬對最大表觀接觸角影響規律, 并探討其影響機理, 以期為可控流體流失的密封端面設計提供設計參考.

2 試驗與方法

2.1 實驗方案

圖1 所示為本實驗原理圖, 首先將試件置于水平載物臺上, 載物臺通過水平儀調平, 以防止由于表面不平引起的液滴側向運動.采用微量進樣器以0.2 μL/s 的速度補充液體, 通過在水平和豎直方向配置顯微鏡頭的CCD 相機觀測液滴在SiC 圓環槽表面上的潤濕及鋪展行為, 抓取30 幀/s 的液滴運動視頻及鋪展俯視圖, 記錄液滴形狀及接觸角隨液滴體積的變化規律, 所得實驗數據儲存于計算機中并進行后續處理.

圖1 實驗裝置原理圖Fig.1.Schematic diagram of experiment device.

采用五點擬合法進行接觸角的測量, 選取去離子水進行潤濕性及鋪展特性的研究, 其表面張力γ = 0.072 N/m, 動力黏度η = 8.9 × 10–4Pa·s, 密度ρ = 103kg/m3; 實驗環境溫度為25 ℃, 空氣濕度為40%, 每組試驗重復5 次.

2.2 形貌設計

Young[30]給出光滑表面上液滴的潤濕性模型:

其中, γlv, γsl, γsv分別為液-氣、固-液、固-氣的表面張力, θY為固有接觸角.式(1)表明在絕對光滑表面上, 液滴的接觸角僅與表面張力有關.而實際工程表面上, 必然存在表面缺陷, 液滴越過表面缺陷時, 需克服表面缺陷產生的能量勢壘作用.液滴在圓環形槽表面上的鋪展原理圖如圖2 所示.

圖2 液滴在圓環形槽表面鋪展原理圖Fig.2.Schematic diagram of droplet spreading on ringgrooved structures.

液滴在光滑內表面的固有接觸角為θY, 隨著液體的不斷注入, 接觸角變為前進接觸角θa, 0時,接觸線開始沿著內表面向邊緣處移動, 到達邊緣處產生釘扎, 邊緣處的表觀接觸角為θ.隨著液體的繼續補充, 液滴沿側壁移動一段距離, 達到臨界接觸角θC后產生坍塌.臨界接觸角θC首先由Gibbs[15]提出, 以說明兩光滑表面邊緣處的釘扎效應, 其表達式為

其中, θC為邊緣處的臨界接觸角, φ 為側壁傾斜角.可以看出, 表觀接觸角主要與前進接觸角和側壁傾斜角有關, 對特定結構的材料而言, 表觀接觸角的變化最終受限于前進接觸角.對于實際表面, 表觀接觸角通常由Gibbs 不等式來表征[2,25,28]:

其中, θ 為表觀接觸角, 即液滴切線與水平方向之間的夾角, θa為液滴在側壁上的前進接觸角.對于光滑表面φ = 180°, 當表面存在一固體邊緣時φ <180°, 因此邊緣處產生的釘扎效應可提高接觸角.

Oliver[22]進一步給出了液滴穩定條件:

其中, φc為Oliver 給出的液滴穩定時側壁傾斜角的臨界值.當φ > φc時, 隨液滴體積的增加, 液滴越過邊緣后, 處于穩定狀態, 并最終在重力作用下產生破裂; θa< φ < φc時, 液滴越過邊緣后呈現不穩定狀態, 接觸線產生突然跳躍, 并沿著側壁產生擴散[2,22].

液滴在表面上受到慣性力、表面張力、黏性力和重力作用.本實驗中, 選取去離子水為研究對象,其毛細長度lc[1]為

其中, γ 為液體的表面張力, ρ 為液體密度, g 為重力加速度.實驗中圓環槽內半徑ri= 1.5 mm < lc,因此可忽略重力效應的影響.

通常采用We 數表征慣性力與表面張力之間的關系[1,31], 有:

其中, R 為液體的特征長度, 取為R = 1.5 mm,v 為液體的進樣速度v = 0.2 μL/s, 求得We < 0.02,此時慣性力可忽略.

采用Ca 數表征黏性力與表面張力之間的作用關系, 有:

其中, μ為液體黏度, 求得Ca < 10–5, 可認為液滴在表面上的運動處于準靜態過程.

2.3 試件制備

實驗選取SiC 作為基體材料, 采用光纖激光打標機在SiC 基體上加工環形溝槽, 并進行二次拋光, 使用去離子水和丙酮清洗, 烘干后進行液滴的鋪展實驗.圖3 以深100 μm, 寬1 mm 的圓環形溝槽為例, 給出采用DektakXT 臺階儀獲得的表面形貌圖及其二維輪廓圖.

由圖可見, 環槽內表面為拋光平面, 測得表面粗糙度Ra為0.1 μm.環槽內徑為di, 激光加工圓環形溝槽外徑為do, 槽深為h, 環槽內壁傾角φ 為94°, 符合方程(4)的穩定性條件.為表征方便, 定義環槽寬度w = (do–di)/2.

圖4 給出去離子水在光滑SiC 基體和激光織構SiC 基體上的潤濕性能.光滑表面上的固有接觸 角θY= 70°(圖4(a)), 其 前 進 接 觸 角θa, 0=76.5°, 見圖4(b).激光加工后, 表面粗糙度增加(Ra為0.8 μm), 其親水性增強, 固有接觸角θ1= 50°(圖4(c)), 織構表面上的前進接觸角為θa= 54°(圖4(d)).

前進接觸角θa大于固有接觸角θ1, 主要是由于表面是不均勻的, 結構的不均勻性必然會導致表面能障的存在, 阻止接觸線的移動, 導致表觀接觸角增大.固體邊緣的存在, 同樣會產生能量勢壘, 引起接觸角變化, 為更好的描述邊緣效應的影響, 后續涉及到的接觸角均為側壁處前進接觸角θa= 54°.

圖3 圓環槽形貌示意圖 (a) 表面形貌圖; (b) 二維輪廓圖(di = 3 mm, h = 100 μm, w = 1 mm)Fig.3.Schematic diagram of ring groove topography: (a) Surface topography; (b) 2D contour map (di = 3 mm, h = 100 μm, w =1 mm).

表1 SiC 圓環槽幾何參數表Table 1.Structural parameters of ring grooved on SiC surface.

相關研究表明, 內表面半徑、進樣速度等不影響邊緣處的最大接觸角[26].考慮激光加工特點, 固定內徑di= 3 mm, 改變槽深和槽寬進行實驗設計.實驗用圓環槽的幾何參數見表1.

圖4 SiC 圓環槽表面接觸角 (a) 光滑平面固態接觸角;(b) 光滑表面前進接觸角; (c) 織構表面固有接觸角; (d) 織構表面前進接觸角Fig.4.SiC ring groove surface contact angle: (a)Smooth plane static contact angle; (b) smooth surface advancing contact angle; (c) static contact angle of textured surface;(d) advancing contact angle of textured surface.

3 結果和討論

3.1 液滴的鋪展行為

圖5 所示為液滴在h = 290 μm, w = 1 mm圓環槽上的鋪展行為.由圖可見, 液滴在圓環槽上的鋪展分為4 個階段: 1)液滴體積逐漸增大, 液滴以前進接觸角θa, 0為76.5°沿著光滑內表面向邊緣處運動(圖5(a)); 2)液滴接觸線與邊緣接觸, 此時接觸角θ0維持為76.5°(圖5(b)); 3)液滴在邊緣處產生釘扎(圖5(c)), 隨著體積增大, 接觸角增大,破裂前達到最大θmax; 4)液滴失穩, 迅速的沿側壁鋪展, 浸潤環槽后在外徑處繼續鋪展, 直到接觸角穩定在θ'為68.5°(圖5(d)).

由階段1)到2), 液滴接觸角始終是恒定的,即拋光的光滑SiC 表面可視為各向同性結構, 進樣速度不高時, 液滴以恒定前進接觸角向邊緣移動.由階段2)到3)運動時, 液滴接觸線釘扎在邊緣處,隨體積增大, 接觸角增大, 直至達到最大接觸角138.5°, 同時對照俯視圖可見, 液滴始終釘扎在內徑邊緣處.由階段3)到4)的俯視圖可以看出, 液滴接觸角達到最大值后繼續補充液體, 液滴失穩,其越過環槽外徑繼續鋪展, 并最終達到穩定.

圖5 液滴在SiC 圓環槽的鋪展行為 (a)內表面前進液滴; (b) 內邊緣前進液滴; (c) 內邊緣臨界液滴; (d) 破 裂液滴Fig.5.Spreading behavior of liquid drop in SiC ring groove:(a) Advancing drop on the inner surface; (b) advancing drop on inner edge; (c) inner edge critical drop; (d) breaking up.

由圖5(c)可見, 液滴在邊緣處的最大接觸角為138.5°, 小于Gibbs 方程式所求得的140°.產生這種現象, 可能是由于液滴振動造成的, 也可能是由于表面粗糙度等因素產生的[23,32].

3.2 邊緣處的釘扎效應

圖6 所示為去離子水在SiC 圓環槽內表面的接觸角示意圖.液滴剛到達邊緣時, 接觸角與光滑表面上的前進接觸角一致, 為76.5°(圖6(a)).隨著液體的持續補充, 液滴體積增大, 接觸線尺寸基本不變或沿側壁產生緩慢移動, 必然導致接觸角增大, 如圖6(b)—6(g)所示, 液滴表觀接觸角由圖6(b)所示的93.4°增大至圖6(g)所示的133.3°.繼續補充液體, 到達圖6(h)時, 液滴有最大體積28.2 μL,對應有最大表觀接觸角138.5°.可見, 隨液滴體積增大, 在邊緣處接觸角呈現增加的趨勢.這一結果與方程式(2)相符, 圓環槽邊緣的存在使釘扎效應增強, 接觸角增大.

產生這種現象主要是由于邊緣的存在產生能量勢壘, 阻礙液滴的進一步鋪展, 為適應液滴額外增加的體積, 必然導致液滴接觸角的增大.

3.3 槽深對液滴鋪展性能的影響

圖7 給出液滴在圓環槽(di= 3 mm, w = 1 mm)基體上, 最大表觀接觸角θmax隨槽深的變化曲線,試驗所選參數見表1.由圖可見, 隨槽深增大, 接觸角呈現先增大后趨于穩定的趨勢.槽深h 為20 μm時, θmax為115.5°; 當h 增大到80 μm, θmax幾乎呈線性增大到138°, 隨后θmax基本保持不變, 這一結果與Oliver 等[22]、Kalinin 等[24]、Muller 等[26]的結果一致.同時, 也與方程(2)的理論分析一致, 即初始達到θmax時從幾何關系上對應著一穩定的槽深值.宏觀上分析這一現象產生的原因, 可能是由于黏性效應或機械振動導致隨θmax增大液滴在側壁上的滑移長度增大.當滑移長度小于槽深時, 液滴處于穩定狀態, 隨液滴體積的持續增大, 達到臨界值后產生坍塌.當滑移長度大于槽深時, 出現液滴與槽底的接觸, 此時液滴處于亞穩態, 微小的外力作用(如機械運動)即可導致液滴破裂, 若繼續增加液體, 將導致液滴在表面張力作用下產生坍塌.

圖6 液滴在SiC 圓環形槽內表面邊緣處的接觸角(h = 290 μm, w = 1 mm)Fig.6.Contact angle of the droplet at the edge of the inner surface of the SiC circular groove (h = 290 μm, w = 1 mm).

圖7 最大接觸角隨槽深的變化曲線(di =3 mm, w =1 mm)Fig.7.Variation curve of maximum contact angle with groove depth(di = 3 mm, w = 1 mm).

可以認為, 液滴在圓環形槽邊緣處存在一臨界槽深hc, 即達到θmax時對應的最小槽深值, 使液滴由穩定狀態向亞穩態轉變.當h > hc時, 液滴在邊緣處于穩定釘扎狀態, θmax不隨槽深的變化而變化, 隨著液滴體積的持續增加, 當達到臨界體積后產生液滴坍塌.當h ≤ hc時, 液滴處于亞穩態,θmax隨槽深的減小而顯著減小, 當表觀接觸角達到θmax時, 繼續增加液體, 使液滴在表面張力作用下產生坍塌.對于激光加工圓環槽的SiC 基體,hc為80 μm.

圖7 中當h = 100 μm 時存在一較其它組略大的θmax, 可能是由于側壁表面粗糙度或表面污染等原因造成的.

當前, 針對液滴在接觸線處的釘扎及其沿側壁的潤濕鋪展過程有兩種主要觀點: 1)液滴接觸角在內表面首先增大到θmax, 然后沿側壁開始產生滑移[15]; 2)液滴在邊緣處接觸角增大的同時, 并沒有固定在邊緣上, 而是同時產生側壁上的潤濕[10,26].實驗中當h < hc時, 隨深度減小, θmax呈線性減小, 因此認為液滴的接觸角增大與沿側壁的潤濕同時發生; 否則在所有環槽表面上, 接觸角都應同時達到最大值之后, 再產生鋪展運動.

3.4 槽寬對液滴鋪展性能的影響

對于di= 3 mm, h = 100 μm, 改變槽寬w,可得到θmax隨w 的變化曲線如圖8 所示.

圖8 最大接觸角隨槽寬的變化曲線Fig.8.Variation curve of maximum contact angle with groove width.

由圖可見, 當w = 20 μm 時, θmax= 123.3°;當w > 40 μm 時, θmax為134° ± 3°.即, 對于h =100 μm 處于穩定釘扎狀態的圓環槽, 存在一臨界槽寬wc= 40 μm, 當w < wc時, θmax隨w 的增大而增大; 當w ≥ wc時, θmax隨槽寬的增大不再產生變化.這一結果與Wang 等[27]液滴接觸角隨溝槽尺寸的變化規律一致.采用極限分析法, 當槽寬為無窮小時表面可視為光滑表面, 此時接觸角較小為光滑表面接觸角[27]; 當槽寬為無窮大時表面可視為圓形凸臺, 理想條件下接觸角應穩定在Gibbs臨界接觸角.

考慮液滴的運動特性分析產生這種現象的原因, 主要是由于當槽深h > hc、槽寬w ≤ wc時, 液滴在側壁上的前進接觸角為54°, 由θa, h, w 之間的幾何關系可知, 液滴在接觸圓環槽底部之前先接觸圓環槽的外徑邊緣, 阻礙液滴運動的能量勢壘減小, 更易導致液滴的失穩和鋪展潤濕.因此w 越小,θmax越小; 當w ≥ wc時, θmax基本趨于穩定.對于激光加工圓環槽的SiC 基體, wc為40 μm.

綜上可知, 當w ≥ wc, h > hc時, 液滴在邊緣處產生穩定釘扎, θmax與槽深和槽寬無關.當w ≥wc, h ≤ hc時, 液滴體積增大, 使邊緣處接觸角增大, 同時, 液滴開始沿側壁運動; 當液滴接觸線觸到槽底時, 液滴處于不穩定狀態, 繼續增加液體,微小外力作用使液滴坍塌; 此時, 隨槽深減小,θmax呈線性迅速減小.對于h > hc處于穩定釘扎的環槽, 當w < wc時, 液滴輪廓線在接觸槽底之前先接觸圓環槽外邊緣, 此時液滴運動的能量勢壘降低, 因此θmax隨槽寬減小而減小.

4 結 論

對SiC 表面激光加工圓環槽阻礙液體鋪展作用的邊緣效應進行了研究, 重點分析了圓環槽深度和寬度對邊緣潤濕現象的影響規律.結果表明:

1)環槽內表面處邊緣效應可導致表觀接觸角的增大, 通過合理的參數設計可使SiC 表面液滴的表觀接觸角由70°增大為138.5°, 從而可實現表面液體鋪展運動的主動控制.

2)邊緣處液滴接觸角增大的同時伴隨著沿環槽側壁的滑移, 滑移距離存在一極值, 即存在一臨界槽深hc.當h ≤ hc時, θmax隨h 的增大呈線性增大; 當環槽深度h > hc時, 液滴在邊緣處產生穩定釘扎, θmax基本不變.對SiC 圓環槽而言, 其臨界深度為80 μm.

3)圓環槽寬度影響邊緣的阻礙作用, 寬度增大時, 液滴跨越溝槽的能量壁壘增大.本研究中,槽寬在40 μm 范圍內影響圓環槽對液體鋪展的阻礙作用, 槽寬大于40 μm 后液滴在邊緣產生穩定釘扎.