第34卷第1期 中国表面工程Vol.34 No. 1 2021 年 2 月____________________________CHINA SURFACE ENGINEERING_____________________________Feb.2021
doi：10. 11933/j.issn. 1007-9289. 20201102002
空气/液体环境下一步法制备304不锈钢织构
粮食直补表面的润湿性研究+
温永美1赵向阳1王国盛1李坤2
(1.河南工学院车辆与交通工程学院新乡453003;
2.河南科技学院机电学院新乡453003)
摘要：表面润湿性是表面技术的研究热点。为研究不同加工环境中激光制备微织构对304不锈钢表面润湿性的影响，采用光 纤激光打标机，在空气、无水乙醇环境中采用一步法制备了微织构表面，从织构形貌、织构表面化学成分分析加工环境及激光 参数对304不锈钢表面润湿性的调控机理。结果表明，无织构304不锈钢表面接触角为56. 89° ，表现出了亲水特性；空气环境 中制备的织构为微米尺度的沟槽织构，与无织构304不锈钢表面相比0原子明显增多，其表面接触角为10.61°，表现出了高 亲水特性；试验
所选参数范围内，无水乙醇环境中制备的织构为不规则的微纳织构，与无织构304不锈钢表面相比新增了大量 C原子，其表面接触角为66. 14°~ 117. 83°，表现出了疏水特性；亲/疏水表面可以应用在微量液体的定向输运。影响304不锈 钢表面润湿性的因素主要有：织构形貌，表面化学成分。该研究为304不锈钢表面润湿性调控提供了参考。
关键词：304不锈钢；织构；空气；无水乙醇；亲/疏水
中图分类号：TG17
Wettability of Textured Surface of 304 Stainless Steel Prepared
by One Step Method in Air/Liquid Environment
表达想念的诗词WEN Yongmei1ZHAO Xiangyang1WANG Guosheng1LI Kun'
(1. School of Vehicle and Traffic Engineering, Henan Institute of Technology, Xinxiang 453003, China；
2. School of Mechanical and Electrical Engineering,
Henan Institute of Science and Technology, Xinxiang 453003, China)
Abstract： Surface wettability i s a rearch hotspot of surface technology. In order t o study the influence of lar micro texture on the wettability of 304 stainless steel surface in different processing environments, the micro textured surface i s prepared by one-step method in air and absolute ethanol environment with fiber lar marking machine. The control mechanism of processing environment and lar parameters on the wettability of 304 stainless steel surface was analyzed from texture morphology and chemical composition of texture surface. The results show that the surface contact angle of non-textured 304 stainless steel i s56. 89 ° which shows hydrophilic property. The texture prepared in air environment i s micro scale groove texture, and the number of 0 atoms i s significantly incread compared with the non-texture 304 stainless steel surface, and the surface contact angle i s 10. 61 ° which shows high hydrophilic property. In the range of experimental parameters, the texture prepared in absolute ethanol environment i s irregular micro-nano texture. Compared with the non texture 304 stainless steel surface, a large number of C atoms are added, and the surface contact angle i s66. 14 ° to 117. 83 °which shows hydrophobic property. The hydrophilic/hydrophobic surface can be applied to the directional transport of micro liquid. The main factors affecting the wettability of 304 stainless s teel are texture morphology and chemical composition of the surface. This study provides a reference for the surface wettability control of 304 stainless s t e e l.
Keywords：304 stainless steel；texture；air；anhydrous ethanol；hydrophilic/hydrophobic *
*河南省高等学校重点科研项目（21A460005)。
Fund： Key Scientific Rearch Projects of Colleges and Universities in Henan Province( 21A460005).
20201丨02收到初稿，20210126收到修改稿
企业管理基础知识
982021 年
〇刖_阜阳小吃
在人类科学技术发展的历程中，自然界带给人 类的灵感与启发，往往能够使某个科学领域取得阶 跃式进步。荷叶表现出的自清洁能力[N3：吸引了不 同领域众多研究人员的关注，它特殊的表面结构及 蜡质层能够使水滴在其表面自由滚动，滚动的水滴 可以去除荷叶表面的灰尘等污物。受到自然界特殊 表面特性的启发，研究人员展开了表面润湿性的相 关研究，经研究，特殊润湿性表面有多种功能，如油 水分离[4_5]、自清洁16_7]、水雾收集[8]、防冰霜[9]、耐 腐蚀[HMI]、液体输运[12_13]、抗反射[14]等。关于表面 润湿性的研究已经成为表面技术的研究热点，影响 润湿性的主要因素有：表面微观结构、材料表面自由 能[15]。目前，改变表面润湿性的方法主要为改变表 面微观结构[16_17]和低表
面能材料的涂覆[18]。
C A R
D O S O等[19]利用紫外纳秒激光在A L2024 表面制备了微单元结构，然后再利用红外皮秒激光 在微单元结构上制备亚微米结构，形成了多尺度分 层表面织构，研究了不同激光参数及激光照射间距 对表面织构的影响及织构的疏水角。制备样品放置 一周后，平均水接触角达到了 161_5°±3°。经分析，表面化学成分和粗糙度共同作用决定了液滴在表面 是W e n z e l或Cassie-Baxter状态。张东光等[2°]利用 阳极氧化一步法在紫铜网上制备了超疏水/超亲油 表面，研究了表面织构形貌及化学成分对润湿性的 影响，试验结果表面，一定试验条件下能够制备出超 疏水/超亲油表面，制备的铜网油水分离效率达到了 96%以上，并且经过10次循环试验后，对煤油/水混 合液的分离效率仍能达到90%，证明其有较好的机 械稳定性。Z H A N G等[21]采用皮秒激光烧蚀、电抛 光和电沉积等方法，在不进行低表面能改性的情况 下制备了仿生超疏水金属表面。首先利用激光技术 在金属表面制备了微锥结构，然后利用电沉积技术 在微锥结构上制备纳米金字塔结构，形成一个层次 结构。试验结果表明，经过连续处理的表面具有很 好的疏水性和Cassie态稳定性，接触角大于150°, 滑动角小于9°。经分析，密集分布的纳米金字塔有 利于水滴的细化和跳跃，减少与表面的粘附，使表面 保持稳定的Cassie状态。
改变表面润湿性的方法多为复杂微织构表面制 备、采用表面改性的方式在微织构表面涂覆低表面 能
材料、时间效应改变微织构表面润湿性、多种加工 工艺共同作用等。以上方法都具有一定的局限性，如：所需设备较多、制备工艺复杂、时间较长、成本较高等。
经文献调研，关于304不锈钢润湿性调控的
研究较少，尤其是利用简单工艺快速改变304不 锈钢润湿性的研究。本文选择304不锈钢为研究 对象，采用光纤激光打标机在空气、无水乙醇环境 中制备微织构表面，研究了不同环境中制备的微
织构表面的润湿性，丰富了 304不锈钢润湿性调 控研究。
1试验及方法
1.1材料
试验所用材料为4〇 m m X40 m m x1.5 m m的304 不锈钢。在进行激光刻蚀之前，先采用2〇〇〇目砂纸 加水打磨去除表面的氧化物，然后在无水乙醇中超 声清洗10 m i n去除表面的碎屑等杂质。
1.2加工设备
采用K N120光纤激光打标机进行微织构加工，激光打标机参数如下：最大功率20 W，波长 1n m，脉
冲激光，光束质量小于M2，内置风冷系统，最小字符〇. 15 打标深度小于0.3 _，打标速度小丁•7 000 m m/s，最小线宽0.012 m m，重复精度正 负0.002 m m，打标范围 800 m m x650 m m x l500 m m。1.3试验方法
分别在空气、无水乙醇环境中利用光纤激光打 标机制备微织构。空气环境中激光参数：加工次 数为3、激光功率为18 W、扫描速度为120 m m/s、激 光频率为20 k H z、加工路径间距为100 m m。无水 乙醇环境中的加工方法如下：将待加工样品放置在装有无水乙醇的容器中，使无水乙醇淹没待加 工样品，将激光聚焦在待加工样品表面进行微织构制备。无水乙醇环境中，激光制备微织构的机理较复杂，因此选择多参数研究微织构表面润湿特性，激光参数见表1。所有微织构表面制备完成 后不做任何涂覆处理，并在24 h内完成形貌观测、能谱分析、接触角测量，避免了氧化作用及空气中 微尘对织构表面特性产生影响。
表1无水乙醇环境中激光加工参数
Table 1Lar processing parameters in anhydrous
ethanol environment
Lar parameters Numerical value
Power/W12,14,16,18,20 Scanning speed/(m m/s)0.1,1,5,10,15
Path spacing/ p,m80
Processing times1
Frequency/kHz 200
第1期温永美，等：空气/液体环境下一步法制备304不锈钢织构表面的润湿性研究99
2结果与讨论
2.1微织构形貌
图1为空气环境中制备微织构的表面形貌。由图1可知，空气环境中制备的304不锈钢织构形貌 为较规则的条形沟槽，表面重铸层较大，在沟槽附近 形成了不规则的凸起。
图2为不同激光参数条件下无水乙醇环境中制 备织构的表面形貌，图2a~2e为加工次数为1，激光 频率为200 kHz，激光功率为16 W，路径间距为80 pill，扫描速度分别为0. 1m m/s、1m m/s、5 m m/s、10 m m/s、15 m m/s的微织构形貌，分别记 为E1~E5。由图2a〜2e可知，随着激光扫描速度的 增加，
304不诱钢表面加工痕迹越来越少，经分析，随着激光扫描速度的增加，单位面积内激光脉冲数 量减少，从而导致热积累减少，使材料熔融量减小。图2f~2j为加工次数=1，激光频率为200 k H z，扫描 速度为1m m/s，路径间距为80 (x m，激光功率分别 为12 W、14 W、16 W、18 W、20 W的微织构形貌，分 别记为E6〜E10。由图2f~2j可知，随着激光功率 的增加，304不锈钢表面加工痕迹越来越明显，经分 析，随着激光功率的增加，激光的能量密度随之增 大，使材料熔融量增加。对比图1与图2，发现空气 环境中制备的织构形貌比无水乙醇环境中制备的织 构形貌规则，主要因为液体环境中激光加工过程更加 复杂，无水乙醇对激光束有反射、折射以及吸收激光 能量的作用，并且在固、液界面存在复杂的物理、化学 作用。
图1空气环境中制备的织构形貌
Fig. 1Texture morphology in air environment
图2无水乙醇环境中不同激光参数条件下织构形貌
Fig. 2 Texture morphology under different lar parameters in anhydrous ethanol environment
图3为无水乙醇环境中制备的304不诱钢织构 表面细节图，该细节图具有代表性，由该图可以看出 在无水乙醇环境中304不锈钢微织构表面表现出不 规则的熔融，并且分布有很多球形颗粒，球形颗粒为
304不锈钢熔融后在无水乙醇环境中迅速冷却产生的。在微织构表面可以看到分布有纳米级别的颗粒 状突起，这主要是由于激光冲击压缩和碎片沉积的 共同作用，在微织构表面形成了一些纳米颗粒[22]。无水乙醇环境中制备的304不锈钢织构表现出了复
校园墙
杂的微纳形貌。
100
中 国表面工程
2021 年
图3无水乙醇环境中制备的织构形貌细节
Fig. 3 Details of texture morphology in anhydrous ethanol environment
2.2表面化学成分分析
图4为无织构304不锈钢表面能谱，图5为空 气环境中制备的织构表面能谱，图6为无水乙醇环 境中制备的织构表面能谱。对比图4与图5，从能 谱图中可以看出空气环境中制备的织构表面0原 子明显增多。由检测结果可知，无织构304不锈钢 表面的〇原子的重量百分比和原子百分比分别是1. 7%、6. 53%，空气环境中制备织构表面的0原子 的重量百分比和原子百分比分别是11. 84%、
2 3. 14 %，证明在空气环境中制备织构极易发生氧 化。对比图4与图6，从能谱图中可以看出无水乙 醇环境中制备的织构表面出现大量的C 原子。由 检测结果可知，无织构304不锈钢表面无C 原子，无 水乙醇环境中制备的织构表面C 原子的重量百分 比和原子百分比分别是12. 87%、41.28%，据猜测， 在无水乙醇环境中制备织构，激光的高能量破坏了
无水乙醇的化学键，并使含有C 原子的基团附着在 了织构表面。
图4无织构304不锈钢表面能谱
Fig. 4 Surface energy spectrum of 304 stainless steel without texture
Elements w(°/〇) a(%)
c 14.1336.77
o
11.8423.14S i 0.54
0.60Cr 15.689.43
M n
1.700.977e 45.7525.61
Co 0.35
0.19Ni 3.93
2.09Tb 6.08
1.2满量程
2378 cts 光
标
梦见死人活了:0.015 (157507 cts)keV
图5空气环境中制备的织构表面能谱
Fig. 5
Energy spectrum of textured surface prepared in air environment
第1期温永美，等：空气/液体环境下一步法制备304不锈钢织构表面的润湿性研究
101
〇El E2 E3 E4 E5 E6 E7 E8 E9 E10
图8
无水乙醇环境中不同激光参数条件 下制备的织构表面接触角
一言九鼎的故事Fig. 8 Contact angle of textured surface prepared under different lar parameters
i n anhydrous ethanol environment
得织构表面接触角随之减小，随着激光功率的增加， 所得织构表面接触角随之增大。结合图2可知，接 触角的大小与织构表面熔融量有关，熔融量越大表 面形貌越复杂则接触角越大。根据新的亲/疏水界 限〜理论，无水乙醇环境中制备的织构表面均表现 为疏水，并且当激光参数为扫描速度=1、激光功率 为200 k H z 、激光功率为20 W 、路径间距为80 p m 时，所得织构表面疏水角最大，为117_83°。经分 析，无水乙醇环境中制备的织构表面表现出疏水特 性的原因主要有：织构形貌复杂，表现出三维微纳结 构，水滴不易进入纳米尺度的织构中；所得织构表面 检测出大量C 原子，C 链属于疏水基，使织构表面表 现为疏水特性。2. 4
液体输运
图 9a 展示 了在 40 m m x 40 m m x 1 ■ 5 m m 的 304不镑钢上制备出的织构路径，其中深色的为空 气环境中制备的织构，浅色的为无水乙醇环境中 制备的织构。使用白色颜料和水混合成白色液 体.
将白色液体滴在上方空气环境中制备的圆形
2.3润湿性分析
润湿性可以用接触角来评价，但亲水性和疏水 性的概念仍然存在争议。一直以来，较为普遍的说
法是以90°为亲/疏水界限，也就是，接触角小于90° 的固体表面被定义为亲水表面，接触角大于90°的 被定义为疏水表面。但是，近年来的研究表明，较新 的理论支持65°为亲/疏水界限231，接触角小于10° 表现为超亲水，接触角大于150°表现为超疏水[24]。
图7a 为无织构304不锈钢表面接触角，图7b 为空气环境中制备织构表面接触角。无织构304不 锈钢表面接触角为56. 89°，空气环境中制备织构表 面接触角为10. 61°，均表现为亲水，其中空气环境 中制备织构表面可认为达到了高亲水。经分析，空 气环境中制备织构表面表现出高亲水特性的原因主 要有：空气环境中制备的织构表面为微米尺度，水滴 容易进入织构凹槽内；空气环境中制备的织构表面 发生氧化，氧原子一般会得到部分电子而呈负价，电 子较多时就可以与水中的氯形成氢键，表现出很强 的亲水性。
(b )
图7无织构304不锈钢表面、空气环境中制备
织构表面接触角
Fig. 7 Contact angle of textured 304 stainless
steel surface in air
图8为无水乙醇环境中不同激光参数条件下制 备的织构表面接触角，由图可知，无水乙醇环境中, 其他参数不变的情况下，随着激光扫描速度增加，所
图6无水乙醇环境中制备的织构表面能谱
Fig. 6 Energy spectrum of texture surface prepared in anhydrous ethanol environment
o
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