2. 河南科技大学 高端轴承摩擦学技术与应用国家地方联合工程实验室，洛阳，471023
2. National United Engineering Laborary for Advanced Bearing Tribology, Henan University of Science and Technology, Luoyang 471023, China
硅橡胶以其良好的绝热绝缘性、耐腐蚀、耐污秽、抗震及便于加工等优点而被广泛应用于航空航天、医疗器械、汽车及电力电子等领域[1-3]。在很多工况下要求硅橡胶部件具有良好的疏水性，尤其对于输电线路中的复合绝缘子，为减少发生表面积污闪络及覆冰闪络故障，通常希望其疏水性越高越好。
近年来，许多学者开展了制备超疏水表面的方法研究，如化学刻蚀法[4]、溶胶-凝胶法[5-6]、静电纺丝法[7]、等离子体处理技术[8]和涂层法等，由于硅橡胶的物理化学性质影响，制备超疏水硅橡胶表面应用最多的是涂层法。但正如Kulinich等人所提出的疑问，超疏水涂层是否能够真正的防冰，涂层的超疏水性能够保持多久[8-10]。涂层与基底的易分离性及超疏水微粒的易脱落性使涂层法在工作条件恶劣的复合绝缘子上的应用十分有限。许多学者也研究了通过加工表面微织构来实现超疏水的方法。如王仁伟等[9]通过在硬质合金切槽车刀表面加工微织构，研究表明织构在一定程度上降低了刀具温度、刀具磨损速率和切削加工消耗功率，提高刀具性能和降低能量消耗；陈帅[10]通过在三氧化二铝基陶瓷材料表面加工织构，使材料摩擦因数减小，且表现出了更加优良的减摩性能；占彦龙等[11]利用CO2激光加工在聚四氟乙烯表面构造微织构，改善了材料表面浸润性，使材料具备了超疏水性能；Sani Le Clear等[12]通过在疏水化处理后的硅晶片表面加工方柱形与槽形织构，得出织构间隙空气是影响倾斜超疏水表面润湿转变的主要原因。硅橡胶本身就是一种低表面能的疏水材料，通过构造表面织构改善其疏水性能，从理论上具有可行性。因此这里提出直接在复合绝缘子硅橡胶表面设计加工超疏水织构的方法。
文中通过激光雕刻机在复合绝缘子硅橡胶表面加工不同类型不同尺寸的织构，研究织构形貌参数对表面疏水性能的影响，得到不同织构疏水性能最佳时的表面参数，并分析液滴在不同织构表面的弹跳性能。研究成果对设计具有疏水防冰功能的新型绝缘子，避免重大冰灾事故的发生具有一定的理论意义和应用价值[13-14]。
1 试 验 1.1 试样预处理选取复合绝缘子伞裙硅橡胶为试验对象，切取25 mm×25 mm尺寸样品。用酒精擦洗干净，然后用去离子水冲洗，干燥待用。
1.2 表面织构制备采用激光雕刻机D80M多功能激光雕刻机(激光器参数：定位精度为100 μm，激光波长为10.64 μm，最大平均功率60 W)在样品表面雕刻出不同织构。如图1所示，选取方柱、方孔、圆孔、横向槽、波纹槽、菱柱为表面织构形状。每种织构的宽度a(直径Φ)选取200、300、400、500和600 μm 5个等级；间距b选取200、300、400、500和600 μm 5个等级。
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| 图 1 表面织构模型 Fig. 1 Models of surface textures |
由于该激光雕刻机主要通过速度v和功率P来控制深度，文中通过功率P来改变深度。经过多次试验，选取功率为15、25、35、45和55 W 这5个等级，加工得到各织构参数如表1所示。对加工得到的试样用酒精超声清洗5 min，再用去离子水冲洗，干燥待用。
| Width, a (Φ) / μm | Spacing, b / μm | Power, P / W |
| 200 | 200 | 15−55 |
| 300 | 300 | |
| 400 | 400 | |
| 500 | 500 | |
| 600 | 600 | |
| 200 | 200−600 | 35 |
| 300 | 35 | |
| 400 | 35 | |
| 500 | 35 | |
| 600 | 35 |
采用Nanovea三维非接触式表面形貌仪、JSM-7500F型扫描电子显微镜观察分析织构表面微观形貌；采用超景深三维显微系统VHX-2000C、JY-PHB型接触角测量仪、千眼狼2F04M高速摄像系统进行织构参数对疏水性能的影响分析。
2 表面织构形貌图2为激光织构化处理后的试样表面三维形貌重构图。其中，加工参数为：功率35 W，各织构宽度(直径) 300 μm及间距300 μm，由图可知，各织构基本保持设计形貌，凹坑深度基本一致，验证了激光加工的一致性及可行性。图3为方柱、方孔、菱形织构在不同放大倍数下的SEM微观形貌，可观察到各织构的微米结构上都存在着大量直径为几百纳米的固体颗粒，部分颗粒聚集在一起形成一定的团状结构，且团状结构间有大量微米级的孔洞。
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| 图 2 织构表面三维形貌 Fig. 2 3D profile of the textured surfaces |
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| 图 3 不同织构表面微观形貌 Fig. 3 Microstructure of different textured surfaces |
微米级织构与纳米级颗粒及团状结构在硅橡胶表面形成了微纳二级结构。当水滴落在织构表面上，空气存储在这些分层结构及间隙中，形成一定的气囊，减小水滴和表面接触面积，且由于硅橡胶本身的低表面能，水滴基本呈球形，并易滑落，从而达到超疏水的目的。当环境温度降低时，此结构可减小水滴与表面的热交换效率，在一定程度上延缓结冰。
3 织构参数对硅橡胶表面疏水性能影响 3.1 织构高度对表面疏水性的影响图4(a)为加工功率分别为15、25、35、45和55 W，织构宽度和间距为300 μm时方柱状织构表面超景深扫描图。随着加工功率的增加，柱状体高度不断增大，表面析出白色物质；当加工功率超过35 W时，由于激光功率过高，表面发生烧蚀现象，出现不同程度的孔洞，且孔洞随着功率的增加越来越多、越来越深。不同功率下的织构高度如表2所示。
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| 图 4 不同功率时方柱织构表面微观形貌 Fig. 4 Microscopic topographies of the square column texture surfaces under different powers |
| Parameters | Values | ||||
| Power, P / W | 15 | 25 | 35 | 45 | 55 |
| Average height, d / μm | 81.2 | 184.5 | 271.0 | 345.7 | 434.2 |
| Integer height, h / μm | 80 | 185 | 270 | 345 | 435 |
图4(b)为不同功率下的SEM微观形貌，可见当加工功率P为15 W时，表面较光滑；当功率增至35 W，表面出现浅坑；当功率增加到55 W，表面破坏十分严重，出现大量的孔洞，同时表面材料因温度过高而发生卷曲。
图5和图6为各织构宽度与间距相等时，表面水接触角和滚动角与织构高度的关系。从图中可知，对于每一种织构，接触角和滚动角的变化趋势基本一致：当织构宽度(直径)为200 μm时，随着织构高度的增加，接触角不断增大；当宽度(直径)超过300 μm，随着高度的增大，接触角先增大，然后开始下降，且接触角为最大值处织构高度为270或345 μm。相较于接触角，滚动角的变化规律更加明显，对于每一种织构，无论宽度(直径)如何变化，随着织构高度的增加，滚动角均呈现出先下降后上升的趋势，且滚动角最小值都出现在织构高度270 μm处。因此，考虑疏水性综合最优，可认为高度为270 μm为最理想织构高度，此时对应的激光加工功率为35 W。
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| 图 5 不同织构表面接触角随织构高度的变化 Fig. 5 Change curves of CAs of different tentured surfaces with the texture height |
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| 图 6 不同织构表面滚动角随织构高度的变化 Fig. 6 Change curves of SAs of different tentured surfaces with the texture height |
由上述分析可知，复合绝缘子硅橡胶表面疏水性随着织构高度的增加先增强后变弱。
其机理可以通过图7说明。如图7(a)所示，当织构高度过低时，此时织构间隙中储存的空气不足以支撑起水滴，当水滴落在织构表面时部分进入织构间隙，使得接触角变小；此时，由于部分液体进入织构间隙中，织构对液滴产生一定的阻力，即使试样倾斜较大的角度，液滴也难以滚落，因此滚动角较大。当织构高度逐渐增大时，织构间隙中储存了足够的空气可以支撑起水滴，如图7(b)所示，水滴‘悬浮’在织构上，使得接触角大幅增加；此时，试样只需要倾斜很小的角度，液滴就可以轻松地滚落。当增大激光功率，织构高度进一步增加，此时试样表面发生烧蚀现象，出现了大量的孔洞，使织构间的间隙相对变大，如图7(c)所示，水滴落在表面时，由于织构间的空隙太大，部分液体进入织构间隙，液滴无法维持圆球状，接触角也相应的变大；此时，由于部分液体被吸进表面的孔洞中，孔洞因为液体的密封而出现内外压差，即使大幅度增大试样倾角，液滴也较难滚落，即滚动角增大。
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| 图 7 织构高度对接触角和滚动角的影响 Fig. 7 Influence of the texture height on CA and SA |
图8和图9为加工速度75 mm/s，加工功率35 W时，不同织构表面接触角和滚动角随织构宽度a (直径Φ)及间距b变化曲线。由图可知，对于方柱、圆柱和菱柱等凸起织构，当间距b保持不变时，接触角基本随着织构宽度a (或Φ)的增加而减小，滚动角随着织构宽度a (或Φ)的增大而增大；当织构宽度a (或Φ)保持不变时，接触角随着间距b的增大而先增大后减小，滚动角随着间距b的增大先减小后增大。对于方孔、圆孔类凹陷织构，当间距b保持不变时，接触角随着织构尺寸a (或Φ)的增加先增大后减小，滚动角则明显地先减小后增大。当织构宽度a (或Φ)保持不变时，随着间距b增大，接触角呈现稍微增大后快速减小的趋势，滚动角相应地稍微减小后快速增大。经过比较得到不同织构疏水性能最佳时的织构尺寸及间距参数如表3所示。可以发现，当所有类型织构疏水最佳时，菱柱形织构表面水滴接触角最大，滚动角最小，疏水性能最优。
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| 图 8 不同织构表面接触角随织构宽度(直径)和间距的变化 Fig. 8 Change curves of CAs of different textured surfaces with the texture width (diameter) and the spacing |
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| 图 9 不同织构表面滚动角随织构宽度(直径)和间距的变化 Fig. 9 Change curves of SAs of different textured surfaces with the texture width (diameter) and the spacing |
| Texture type | Square column | Square hole | Circular hole | Transverse groove | Corrugated Groove | Diamond column | |
| CA | 154.0° | 152.0° | 151.3° | 153.5° | 155.0° | 156.0° | |
| SA | 4.3° | 6.5° | 6.3° | 4.6° | 4.0° | 3.7° | |
| Optimal parameters | P / W | 35 | |||||
| a / μm | 300 | 300 | 400 | 300 | 200 | 300 | |
| b / μm | 400 | 200 | 200 | 300 | 300 | 400 | |
图10为以凸起织构为例定性分析织构尺寸和间距对表面接触角、滚动角的影响。可见当织构间距远小于织构宽度(直径)时，只有很少量的液体与间隙中的空气接触，绝大部分液体直接作用在凸起实体上，并在实体表面铺展，所以接触角较小；而因为液滴在表面发生铺展，粘附力大，所以液滴滚动角较大。当织构尺寸和间距合理搭配，液滴‘悬浮’于织构表面，此时接触角很大，滚动角很小。当间距远大于织构宽度(直径)时，液滴由于其自身的重力、流动性以及表面张力的作用，大量液滴会进入空隙中，使得液滴发生严重的变形，不再呈现出圆球状，接触角减小；此时，由于织构对液滴产生极大的阻力，即使试样倾斜很大角度，液滴也不易滚落下来。另外，相较于凸起织构，凹陷织构的疏水性明显差一些，究其原因是液滴落在凹陷织构表面，由于其自身重力和表面张力的作用，织构空隙密封而产生内外压差，织构表面会对液滴产生吸附力而产生变形，接触角会相应的变小；同时由于内外压差的作用，液滴需要克服更大的阻力才能‘摆脱’织构表面而滚落。
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| 图 10 织构宽度及间距对接触角、滚动角影响 Fig. 10 Influence of the texture width and spacing on CA and SA |
液滴在织构表面的弹跳性反映了液滴与表面织构的粘附程度。图11记录了液滴从距离表面15 cm处自由降落于原始无织构及几种最优参数织构表面的过程。
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| 图 11 液滴落在原始及最佳参数织构化表面过程的瞬时快照 Fig. 11 Instantaneous snapshots of droplets falling on original and different optimal textured surfaces |
由图11(a)可知，液滴落在无织构原始表面，在表面铺开，后有向上弹起趋势，但没有离开表面，几次振荡后在表面形成一个半球，说明了液滴与表面的粘附力很大；当液滴落在其他织构化表面时，如图11(b)~(e)所示，碰撞后在表面铺展，由于液体表面张力的作用重新聚集，并且有向上溅射的趋势，经过几次振荡后形成近似球形，其中，液滴没有离开圆孔和横向槽织构表面，在波纹槽及菱柱织构表面，液滴成近似球状从表面弹起，几次弹跳后，最终以球状停留在表面，且液滴在菱柱织构表面上弹起次数最多，高度最高，说明菱柱织构硅橡胶表面粘附力最小，疏水性能最佳。
3.4 织构化表面延迟覆冰性能分析图12为环境温度−10 ℃时，40 μL的液滴在原始硅橡胶表面及各最优参数织构化表面的接触角和完全结冰时间。由图可见，即使在−10 ℃下，相较于液滴在原始无织构硅橡胶表面56.3°的接触角，在各织构化表面的接触角均大于90°，织构表面仍具有良好的疏水性能。当液滴持续暴露于此温度下时，原始伞裙表面上的液滴于103 s时完全凝结成冰，而在凹形织构表面液滴完全结冰时间大于130 s，在凸形织构表面液滴完全结冰时间大于150 s，其中在菱柱织构表面上液滴完全结冰时间最长，为172 s。可知，相同温度下，液滴在表面的接触角越大，液滴与表面的实际接触面积越小，结冰时热交换效率越低，完全结冰时间就越长。因此，织构化表面有明显的延缓结冰效果，且凸织构比凹织构延缓结冰效果更佳。
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| 图 12 −10℃下液滴在原始及最优参数织构化表面的接触角与结冰时间 Fig. 12 Contact angles and freezing time of the droplet on original and optimal parameters textured surface at −10 ℃ |
(1)通过激光雕刻机在硅橡胶表面加工不同类型织构，可获得微纳二级结构表面，合理的结构搭配使硅橡胶表面疏水性能提升。
(2)织构高度对不同织构硅橡胶表面疏水性能影响规律一致，随着高度的增加，疏水性先增大后减小，且不同织构的最佳疏水高度基本相同，为加工功率为35 W时获得的织构高度270 μm；
(3)织构宽度(直径)与间距参数对不同类型织构表面疏水性能影响不同，根据其变化规律可得到各织构表面疏水性最佳时的织构参数。相较于凹陷类织构，凸起类织构表现出了更好的疏水性能。
(4)在各织构表面为最佳疏水参数时，菱柱织构表面接触角最大，滚动角最小。液滴在菱柱织构表面弹起高度最高且次数最多，说明液滴与织构间的粘附力最小，也就越有利于减少覆冰。在低温下凸形织构表面仍具有良好的疏水效果，且可以明显的延缓表面结冰。综合分析可知，菱柱织构为最佳的疏水表面织构。
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