Влияние шероховатости на поверхностную энергию и смачиваемость поверхностей меди и стали

Об авторах:

Исламова Анастасия Гомильевна, аспирант, Научно-образовательный центр И. Н. Бутакова, Инженерная школа энергетики, Национальный исследовательский Томский политехнический университет; agi2@tpu.ru; ORCID: 0000-0001-7350-8102

Феоктистов Дмитрий Владимирович, кандидат технических наук, доцент, Исследовательская школа физики высокоэнергетических процессов, Национальный исследовательский Томский политехнический университет; fdv@tpu.ru

Орлова Евгения Георгиевна, кандидат физико-математических наук, старший преподаватель научно-образовательного центра И. Н. Бутакова Инженерной школы энергетики, Национальный исследовательский Томский политехнический университет; lafleur@tpu.ru

Аннотация:

Работа направлена на решение фундаментальной проблемы теплофизики — управление малыми объемами жидкостей на поверхностях теплообмена специального типа аппаратов (например, термосифонов и тепловых труб), работающих по замкнутому испарительно-конденсационному циклу. Целью работы являлся анализ влияния шероховатости на поверхностную энергию и смачиваемость при варьировании текстур типичных поверхностей теплообмена, изготовленных из меди и стали, подготовленных к эксплуатации механической (абразивной) обработкой.

Сформировано по шесть текстур на поверхностях меди и стали с использованием шлифовально-полировального станка. Оценка шероховатости текстур выполнена по результатам анализа трехмерных характеристик шероховатости (высотных и гибридных). Экспериментальные исследования свойств смачиваемости поверхностей проведены на установке с использованием теневого метода. Свободная поверхностная энергия абразивно-обработанных поверхностей определена методом гармонического среднего Оунса — Вендта — Рабеля — Кьельбле.

Показано, что для оценки текстур необходимо использовать не менее одной трехмерной высотной и гибридной характеристики. Определены условия образования текстур гауссовой и синусоидальной формы. Установлено, что значительный прирост площади поверхности осуществляется при обработке меди (до 7%) и стали (до 2,7%) дисками со средним размером зерна до 100 мкм. Показано, что в результате абразивной обработки поверхностей меди и стали в их полной поверхностной энергии изменяется доля полярной составляющей. Последнее является следствием изменения дипольных взаимодействий и водородных связей между атомами.

Список литературы:

1. Аксенов А. Ф. Авиационные топлива, смазочные материалы и специальные жидкости: Учебник для вузов / А. Ф. Аксенов. М.: Транспорт, 1970. 256 с.

2. Батищева К. А. Испарение капель воды в изолированной от внешней среды камере / К. А. Батищева, А. Е. Нурпейис // Вестник Тюменского государственного университета. Физико-математическое моделирование. Нефть, газ, энергетика. 2020. Том 6. № 3 (23). С. 8-22. DOI: 10.21684/2411-7978-2020-6-3-8-22

3. Дедкова А. А. Возможности и ограничения метода контактной профилометрии при определении перепада высот для контроля топологических элементов и толщины слоев / А. А. Дедкова, В. Ю. Киреев, М. А. Махиборода // Наноструктуры. Математическая физика и моделирование. 2020. Том 20. № 2. С. 23-40.

4. Карпенко Г. В. Прочность стали в коррозионной среде / Г. В. Карпенко. Харьков: Госгортехиздат, 1963. 188 c.

5. Кузнецов Г. В. Режимы растекания капли воды по подложкам с различной смачиваемостью / Г. В. Кузнецов, Д. В. Феоктистов, Е. Г. Орлова // Инженерно-физический журнал. 2016. Том 89. № 2. С. 310-315.

6. Лич Р. Инженерные основы измерений нанометровой точности: учебное издание / Р. Лич. Долгопрудный: Интеллект. 2012. 400 с.

7. Encinas N. Control of Wettability of Polymers by Surface Roughness Modification / N. Encinas, M. Pantoja, J. Abenojar, M. A. Martínez // Journal of Adhesion Science and Technology. 2010. Vol. 24. Pp. 1869-1883. DOI: 10.1163/016942410X511042

8. Fowkes F. M. Determination of Interfacial Tensions, Contact Angles, and Dispersion Forces in Surfaces by Assuming Additivity of Intermolecular Interactions in Surfaces / F. M. Fowkes // Journal of Physical Chemistry. 1962. Vol. 66. p. 382. DOI: 10.1021/j100808a524

9. Fu B.-Q. Calculation of the surface energy of bcc-metals with the empirical electron theory / B.-Q. Fu, W. Liu, Z.-L. Li // Applied Surface Science. 2009. Vol. 255. Pp. 8511‑8519. DOI: 10.1016/j.apsusc.2009.06.002

10. Kilpadi D. V. Surface energy characterization of unalloyed titanium implants. / D. V. Kilpadi, J. E. Lemons // Journal of Biomedical Materials Research. 1994. Vol. 28. Pp. 1419-1425. DOI: 10.1002/jbm.820281206

11. Kubiak K. J. Methodology for Metrology of Wettability Versus Roughness of Engineering Surfaces / K. J. Kubiak, T. G. Mathia, M. C. T. Wilson // Proceeding of 14^th International Congress Of Metrology in Paris. 22-25 June 2009.

12. Kumar S. S. Effect of surface roughness and surface topography on wettability of machined biomaterials using flexible viscoelastic polymer abrasive media / S. S. Kumar, S.S. Hiremath // Surface Topography: Metrology and Properties. 2019. Vol. 7. DOI: 10.1088/2051-672x/aaf6f6

13. Kuznetsov G. V. Droplet Spreading and Wettability of Abrasive Processed Aluminum Alloy Surfaces / G. V. Kuznetsov, E. G. Orlova, D. V. Feoktistov, A. G. Islamova, A. V. Zhuikov // Metals and Materials International. 2020. Vol. 26. Pp. 46-55. DOI: 10.1007/s12540-019-00310-6

14. Kuznetsov G. V. Droplet state and mechanism of contact line movement on laser-textured aluminum alloy surfaces / G. V. Kuznetsov, D. V. Feoktistov, E. G. Orlova, I. Y. Zykov, A.G. Islamova // Journal of Colloid and Interface Science. 2019. vol. 553. pp. 557-566. DOI: 10.1016/j.jcis.2019.06.059

15. Kuznetsov G. V. Evaporation modes of LiBr, CaCl₂, LiCl, NaCl aqueous salt solution droplets on aluminum surface / G. V. Kuznetsov, D. V. Feoktistov, E. G. Orlova, S. Y. Misyura, V. S. Morozov, A. G. Islamova // International Journal of Heat and Mass Transfer 2018. Vol. 126. Pp. 161-168. DOI: 10.1016/j.ijheatmasstransfer.2018.05.040

16. Neogi P. Spreading kinetics of a drop on a smooth solid surface / P. Neogi, C. A. Miller // Journal of Colloid And Interface Science. 1982. Vol. 86. Pp. 525-538. DOI: 10.1016/0021-9797(82)90097-2

17. Owens D. K. Estimation of the surface free energy of polymers / D. K. Owens, R. C. Wendt // Journal of Applied Polymer Science. 1969. Vol. 13. Pp. 1741-1747. DOI: 10.1002/app.1969.070130815

18. Rioboo R. Time evolution of liquid drop impact onto solid, dry surfaces / R. Rioboo, M. Marengo, C. Tropea // Experiments in Fluids. 2002. Vol. 33. Pp. 112-124. DOI: 10.1007/s00348-002-0431-x

19. Rotenberg Y. Determination of surface tension and contact angle from the shapes of axisymmetric fluid interfaces / Y. Rotenberg, L. Boruvka, A. W. Neumann // Journal of Colloid And Interface Science. 1983. Vol. 93. Pp. 169-183. DOI: 10.1016/0021-9797(83)90396-x

20. Shaker M. A combined criterion of surface free energy and roughness to predict the wettability of non-ideal low-energy surfaces / M. Shaker, E. Salahinejad // Progress in Organic Coatings. 2018. Vol. 119. Pp. 123-126. DOI: 10.1016/j.porgcoat.2018.02.028

21. Šikalo Š. Analysis of Impact of Droplets on Horizontal Surfaces / Š. Šikalo, M. Marengo, C. Tropea, E. N. Ganić // Experimental Thermal and Fluid Science. 2002. vol. 25. pp. 503-510. DOI: 10.1016/S0894-1777(01)00109-1

22. Wang W. Correlation between dynamic wetting behavior and chemical components of thermally modified wood / W. Wang, Y. Zhu, J. Cao, W. Sun // Applied Surface Science. 2015. Vol. 324. Pp. 332-338. 10.1016/j.apsusc.2014.10.139