金属材料的功能表面与水的润湿性

金属材料的功能表面与水的润湿性
Ir一0
第8眷第3期农业工程
1992年9月T—nfthrR
V o18No3
SeDt.1992
l金属材料的功能表面与水的润湿性
陈秉聪任露泉
(吉林工业大学)
.>J口’
提耍本文对研镧的减粘功能表面与水的润温性进行了探讨.结果表明,表面复合材料和表面
涂层材料与水的接触角较常用的金属材料显着提高;各种材料的接触角与粗糙度的关系并不完全
符合oosO~=ycosO的规律.当粗糙度提高到一定程度,将使表观接触角增大,其机制与粗糙表面
润湿模型和表达式相吻合.
关键词苎塾盐盘查翌
l引言
|.
土壤对触土部件的粘附是工农业生产中亟待解决的具有很大经济效益和社会效益的课
题.从根本上讲,土壤粘附是一种界面现象,是触土部件与土壤发生物理化学及机械相互
作用的结果,必然与构成触土部件的材料密切相关.国内外的研究表明Il,研制新材料是
解决土壤粘附的重要途径.因此,笔者从改变金属表面性质出发,研制了表面具有减粘功能
的涂层材料.室内土槽试验表明,这些材料制作的犁壁和推土板具有良好的减粘降阻功能,
但其机理和与水的接触角等基础研究工作尚有待于展开.本文从理论分析和实验两方面探讨
了与水的润湿性.
2试验方法
采用液态冶金技术和等离子喷涂工艺制取表面复合材料和表面涂层材料.这些材料经研
磨抛光,处理成具有不同粗糙度的表面.用蒸馏水清洗三遍后,吹干,用JJC一1型座滴
法接触角测定仪测量与蒸馏水的接触角.
3试验结果及分析
3’l试验材料与水的润湿性
具有功能表面的材料和工程上常用材料与水的接触角如表l所示. 收稿日期:1992”-03—12
中国博士后基金资助项目
16农业工程1992正
表1各种材料与水的接触角’
丰f料接触角材料接触角试样号试样母
基体表断{度1基恤丧面(耋1
Al藏Ft铸_鞋.蕊¨铬铁73B}2麓口铸铁Cr.Mn;si合垒82
A2n特镀白【t铸铁75B4Mn8钢40日WC+Cr台垒80
24目A】2OA3阳城}{玎铁阳城白玎铁7】5B8】M
n8钢78.5Nb
.Si.Re台垒
45目AI2O3A435钠35钢765BR一
2Mn8钢8I+NbSi
.
Re合盒
l60目-320日A5聚壤烯襞四氟乙烯】02P4,5铡引
A】20
A6Mn8锕Mng铜80P635锕K卜l1O粉束835
40目WC35锕KF一
201粉束821B2藏口铸铁85.jP7
rSl台金
B3一I蕺口铸铁cP叠8】P835铜GI12柑束858
l1)各种材料丧向羟$oo砂纸牌光.(2)A代_表I程常用l打料,B为爱两复合材科或台金化材料,P为表面嚆乐材科-
表l结果表明,除憎水材料聚四氟乙烯外,常用的金属材料与水的接触角较小,表面复
合或喷涂陶瓷材料及合金材料后,接触角得到不同程度的提高,特别是表面复合WC+Cr.Si
台金和喷涂镍基和铁基台金的材料,接触角提高尤为显着.试验结果未发现陶瓷颗粒粒度对
接触角产生显着影响.
接触角是衡量固体材料与土壤粘附倾向的重要参数之一.因此,材料的功能表面对于减
少土壤的粘附是十分有利的.
3.2表面租糙度对接触角的影响
3.2.1粗糙界面的表观接触角
Wenzel从热力学的观点出发,得出表面粗糙度与接触角的关系遵循以下规律:
co$0～
:Y..s0(1)
式中…粗糙界面的表观接触角;7一粗糙度系数,7=粗糙界面面积/光滑界面面
积;0一光滑界面的接触角
根据(1)式,对于憎水材料>90.),随着粗糙度的增加,接触角增加,即日>日;反
之,对于亲水材料,则o<o,润湿性得到改善.
但是,试验发现,对于亲水材料,表观接触角随粗糙度的变化并不完全符台(1)式规
律,当粗糙度增加到一定程度,接触角不但不下降,反而上升.如砂轮磨削表面(也=1.0
～
1.2/an)和喷涂表面(R=4～6gm)的表观接触角显着增加,而且砂轮磨削表面的表观
接触角具有明显的方向性,磨痕与测量光线平行时的表观接触角最大.如表2所示.
表2不同相糙度的接触角
表面状态
试样号备注
抛光:800目砂纸研磨I360日砂纸研磨l砂轮唐削
A377I715I64.5l97/825分子和分母丹刊为磨瘸与测
A479.5l765173.5l110/84量光线平行或垂直的结果
P4845l81}70l(9o~5.5)内数值为喷涂表面的
P6855l83.5179.5l(to5.8)86表观接触角
第3期刘耀辉等:盒属材料的功能表面与水的漓湿糙界面的表观接(3)
把抛光表面的接触角作为真实接触角0,对于A3试样,0=77.,由于<90.,电镜
下观察,在磨削表面同时存在不同的9值.当分别取=30.,45.,60,75.时, =
78.77.,80.84.,83.54.,86.66.,与光线垂直于磨痕方向的接触角82.5.接近,说
明上述理论模型与实际吻合较好.
对于喷涂表面,表观接触角增大的机制与上述不同.喷涂表面由不规则微凸体和微孔洞
组成(图2a),由于喷层材料本身与水的接触角较大,当与座滴接触时,若水不能完全充满
微孔洞,则形成喷涂材料和微孔洞(空气)与水组成的复合界面,其模型如图2b所示.
(a)表面形貌
囝2喷涂表面形眈置润噩捶型
(b】淘显模型
设界面上喷涂材料(sI)和空气(是)与水的界面面积分数分别为和,接触角分别
为0.和02,根据复合界面与液体的澜湿角复合规则㈣:
cos0flcos0l+COS02
l8农业工程1992掘
式中c0s0:一)/
这里,d,分别是孔洞与空气和水的界面张力,‰是水的表面张力.
由于=o,=‰州:
cosOf1cosO1一
(5)
考虑喷涂表面是粗糙的,得到:
cosO1cosO1一(7)
式中:,12=l
以喷涂样品的抛光表面作为喷涂材料本身与水的接触角0.,对于P6试样,=855.
为了确定孔洞所占的比例,采用扫描电镜观察并拍摄喷涂表面的微观形貌,称量三张照片
的孔洞部分所占的重量分数并作为,得出值为0.287】,O3077,0.3257.这里取平
均值f2=03068.对于某个值,的影响较小,经计算,:1～2时,的变化仅为2.
左右.结合电镜形貌观察,取7=1.5.这样,得到表观接触角0的计算值为103.02..与
实测结果105,83.趋于一致说明用图2所示摸型和(7)式的复合规则来分析喷涂表面与水
的接触角是可行的.
3.3功能表面使接触角增大的机理探讨
功能表面使接触角增大的原因比较复杂,这里
仅从座滴与各种材料接触过程中,表面状态的变化
作初步探讨.
取几种金属材料,其表面尺寸制成lO×
lOmm,心=02～O3m表面滴满水.观察其表面
锈层的形成及变化,结果如图3所示.可见自口铸
铁和35钢与水接触后,保持l0分钟,锈斑面积
可达60%以上,Mn8钢表面也有不少锈斑生成.
试验中观察界面,保持2～3分钟,自口铁和3田3空属表面舒层的形成过程
钢表面颜色由白亮变暗,继之马上产生大量锈斑,保持lO分钟后,白口铸铁表面锈斑面积
仍不断扩大,而35钢则主要是锈斑加厚,面积增加缓慢.相比之下,水在P6等含镍,铬
元素的功能表面上保持时间达60分钟,未生成锈斑.说明功能表面具有良好的化学稳定性
和防锈蚀性能这可能是其提高与水的接触角的原因之一.
普通碳钢或铸铁与水接触时,易于形成电化学腐蚀:
2Fe+2H2O+O22Fe(OH)2
反应结果使表面能和表面状态发生变化.对表面含一层锈的35#钢与
水的接触角进行试
验表明,水在其表面很快铺展.而且金属表面锈蚀后,摩擦阻力增加.这两者是农机具等触
¶鼙瞎糍举
第3期刘耀辉等:金属材料的功能表面与水的润湿性?l9
土部件表面有锈易于产生土壤粘附和增加耕作阻力的直接原因.因此,铁基触土部件在保存
过程中必须进行防锈处理.
研制的表面复合材料或表面喷涂材料中,含有较高的镍,铬,铝及稀土等元素,这些元
素有的能提高铁的电极电位,降低电化学腐蚀速度,有的能在晶粒表面形成一层致密的氧化
膜,如AI20,cro3,Re2O等薄膜.使钢或铁具有良好的耐蚀性,降低亲水性,利于减
粘脱土.用P6等材料制作的犁壁和小型推土板在室内土槽的黑粘土中进行了试验,表明这
些材料确有良好的减粘降阻功能,与上述接触角研究结果相一致,因而具有广阔的发展和
应用前景
4结论
I)研制的表面复合材料或涂层材料可以显着提高与水的接触角,其
机理可能与其具有
良好的防锈性能有关.
2)各种材料随表面粗糙度提高,表观接触角下降.但并不完全遵循cos0y=ycos0的规
律,当粗糙度提高到一定程度,将出现表观接触角增大.所用的粗糙界面接触角变化模型和
表达式能比较真实地反映出磨削表面和喷涂表面与水的接触角变化规律.与实验结果趋于一
致
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农业工程1992拄WettabilitybetweenWaterandFunctionSurface
ofMetalMaterial
LiuY aohuiChenBingcongRenLuquan
(,,rilinUniversityofTechnology,ChangChun,China)
Abstract’●Thewettabilitybetweenwaterandreducingadhesionfunctionsurfacedevelo pedwasinvestigatedinthis
paper.Theresultsshowthatthecontactangles~tweenwaterandsurfacecomp ositeorsurfacecoatedmR? tedalayemuchbiggcrthanthatofcommonmetalmaterialsTherelationshipbe tweenthecontactanglesof
variousmaterialsandr0ughne盛doesnotconformtotherulecosO,=~cosO.The.on切Ict卸gIeswillincrease whenthefoulnessisuptocertainextent.Itsmechanismcoincid~withwetting modelofroughsurfaceand
f0vnlola. KeywordsMaterialreactingadhesion.Water,Wettability。