本文摘要：摘要:陶瓷材料是天然或合成化合物经过成形和高温烧结制成的一类无机非金属材料，因其具有高熔点、高硬度、高耐磨性、耐氧化等优点而被广泛应用。本文采用激光雕刻机在陶瓷表面进行不同类型的微织构加工，通过化学试剂降低表面自由能后，使其表面具备超疏水性
摘要:陶瓷材料是天然或合成化合物经过成形和高温烧结制成的一类无机非金属材料，因其具有高熔点、高硬度、高耐磨性、耐氧化等优点而被广泛应用。本文采用激光雕刻机在陶瓷表面进行不同类型的微织构加工，通过化学试剂降低表面自由能后，使其表面具备超疏水性能。对制备的织构化表面进行了憎水性、液滴弹跳特性、抗结冰性、耐摩擦性能等试验。研究结果表明:经过激光雕刻方法得到的织构化陶瓷表面由亲水性变为疏水性，并且当织构的形状为方柱时疏水性能最佳。
关键词:陶瓷;超疏水;激光雕刻;最优织构
陶瓷因具有高硬度、耐热、耐腐蚀性等优点而被广泛应用于电力、航空航天等领域，但由于陶瓷表面的积染、结冰等特性不仅会造成大量的维护成本，还会对基础设施造成一定程度的破坏[1-2]。因此，陶瓷的积染、结冰等特性已成为陶瓷广泛应用的阻力之一。而在现有材料中，超疏水材料作为一种新型材料，具备一些优异的界面性质，如防结冰、防污染、防氧化等特性，在日常生活、工业生产、国防等领域都有广泛的应用前景。
材料论文投稿刊物：《功能材料》(半月刊)创刊于1970年，是经原国家科委批准、由重庆仪表材料研究所和中国仪器仪表学会仪表材料学会共同主办的综合性材料科学技术刊物。
基于此特性，学者们希望将超疏水特性应用到陶瓷领域，利用超疏水的特有性质来弥补陶瓷的短板。目前，多种方法已被应用于构建超疏水表面，包括激光刻蚀法[3-5]、模板法[6-8]、静电纺丝法[9-10]、溶胶凝胶法[11-13]、涂层法[14]等方法。由于激光具有方向性好、高能量密度、单色性好等特点，常被用于加工制备领域[15-17]。
激光加工技术也越来越成熟，具有可操作性强、成本低、无污染等优点。李晶等[18]利用激光技术在铝基底表面加工微织构成功制造了低粘附双疏表面，在抗结冰和自清洁方面表现优异;陈峒霖等[19]利用激光在聚二甲基硅氧烷表面成功制备出了仿芦苇叶的超疏水表面;赵美云等[20]等利用激光雕在复合绝缘子硅橡胶表面加工各种不同的织构，得出了织构的形状、间距和深度对疏水性的影响。本文试图利用激光加工的方法以陶瓷为基底制得超疏水/疏冰表面，分析激光加工功率、织构宽度(直径)和间距对各种类型织构表面疏水性的影响，并利用最优织构进行了表面抗冰性、抗磨性的测试。研究结果可以制备超疏水陶瓷，从而可以有效减少安全事故的发生次数并增大材料的应用范围。
1试验部分
1.1试样制备试验采用的样品陶瓷为广东英超陶瓷有限公司生产，其主要成分为SiO2:62。58%、Al2O3:24。42%、TiO2:1。51%、CaO:0。06%、MgO:0。35%及Fe2O3:3。32%等，试样尺寸为30mm×50mm×10mm;将陶瓷试样依次使用150-2000号砂纸进行打磨，再采用MP1金相试样磨抛机对试样表面进一步打磨抛光后，依次使用无水乙醇和去离子水在超声波清洗机中清洗10min后干燥备用。
1.2表面织构加工采用D80M多功能激光雕刻机(激光器参数:定位精度为100μm，激光波长为10。64μm，最大平均功率为60W)在陶瓷表面加工出不同的织构。选取圆孔、横向槽、方柱为表面织构类型。
2表面形貌分析为了研究激光雕刻机在对陶瓷表面加工时，陶瓷表面的织构是否为设计的尺寸及类型，并验证激光加工方案是否可行与一致，利用Nanovea三维非接触式表面形貌仪获得试样表面的三维形貌图。为原始的陶瓷试样和加工功率为36W、宽度/直径(a)和间距(b)为200μm时试样表面三维形貌图。
3织构参数对表面疏水性影响分析使用JY-PHB型接触角测量仪测量各织构表面的接触角和滚动角，原始的陶瓷表面接触角仅为56°，液滴落在原始的陶瓷表面直接被吸附，无滚动角或滚动角为90°，不同参数下各个织构表面的接触角和滚动角变化,激光加工后的各织构表面与原始的陶瓷表面相比，接触角由56°上升到110°以上，滚动角由90°降低到40°以下，表明各织构表面特性均由亲水性转变为疏水性。
4织构化陶瓷表面性能分析
4.1液滴在不同表面上的弹跳特性液滴在织构表面的弹跳次数及高度反应了织构表面对液滴的粘附程度，选取原始表面抛光和最优织构化表面试样，利用千眼狼2F04M高速摄像机抓拍液滴(液滴的体积为4μL)从150mm处落下过程。
在原始陶瓷表面液滴无弹跳现象发生，液滴落在表面之后有轻微的上弹趋势，但没有离开试样表面，经过几次的压缩-弹起变形后，最终几乎平铺在在陶瓷表面上，表明原始的陶瓷表面对液滴的黏附力较大;为液滴在横向槽织构表面的弹跳过程，可以看到液滴掉落表面后明显弹起，仅弹跳了一次，且未明显脱离表面，72ms后基本达到稳定，接触角明显增大;为液滴在圆孔织构表面的弹跳过程，相较于横向槽织构表面，液滴弹高度更高，完全脱离表面，且在84ms后基本达到稳定;为液滴在方柱织构表面的弹跳过程，可以看出液滴下落与表面接触后快速弹起，弹起高度更高，然后落下后又重新弹起，经过反复弹跳后在102ms后基本达到稳定状态。
可明显看出此时液滴与表面接触面积较小，接触角较大，表面具有超疏水性。因此，可知液滴在织构化表面上具有较好的弹跳性和不稳定性，说明液滴与织构表面的黏附力减小了。且三者相较，液滴在方柱织构表面的弹跳次数最多，弹跳高度最高，表明对于陶瓷而言，方柱织构的陶瓷表面的黏附力较小，疏水效果最好。
由以上分析得知，与原始的陶瓷表面相比，各织构均有数次的压缩-弹起变形，表明经过加工处理的试样表面黏附力明显降低，试样的疏水性得到改善，与具有相同基底的织构而言，织构方柱表面的疏水性效果较好，圆孔次之，横向槽织构表面的疏水性效果最差。
4.2表面抗冰特性
在原始的陶瓷表面及疏水性能最优的各织构试样表面滴加40μL的液滴，贴好标签并编上序号备用，将TEMI880系列湿温度可程式控制器温度设置为-10℃且湿度为80%时，待仪器中的温度稳定在(-10±0。5)℃时依照标签次序放入待测样品并开始计时，通过窗口观察，直到液滴完全变白时取出并结束计时。当时间为80s时，水滴在原始陶瓷表面已经开始出现冰晶，而3种织构表面的水滴仍然没有变化;当时间为220s时，有织构表面的水滴才逐渐开始出现冰晶;当时间为280s时，横向槽织构表面的水滴才完全结冰。
5结论
1)通过激光雕刻机在陶瓷表面加工出一系列的不同织构，经过化学试剂降低表面能可以使织构表面由亲水性变为疏水性，合理的加工尺寸参数可以使其织构表面达到超疏水性质。2)加工功率、织构尺寸参数对不同的织构类型表面疏水性能影响不同:当加工功率为36W时，横向槽和圆孔的加工尺寸为300μm，方柱的加工尺寸为200μm时3种织构表面疏水性最好。3)分别对3种织构类型表面疏水性最优的表面进行抗冰性、耐磨性测试比较，发现方柱织构具有较好的综合性能。
参考文献:
[1]马崇，杜筝。输电线路陶瓷绝缘子劣化原因分析[J]。华北电力技术，2006(7):51-54。
[2]雷杨俊，肖定全。真空中陶瓷绝缘子的沿面闪络现象及其研究进展[J]。功能材料，2003，34(6):630-632，637。
作者：赵美云何钱雷波赵新泽
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