應(yīng)用 | 看見“超疏”的力量：高溫接觸角測試儀——賦能極限工況材料創(chuàng)新

引言：

在冶金、高溫化工、航空航天等領(lǐng)域，材料在高溫熔體環(huán)境下的腐蝕問題一直制約著設(shè)備壽命與運行安全。近日，一項材料研究取得重要進展——通過碳納米管功能化改性的MgO基澆注料（CNT-MgO）在1723K高溫下對熔渣的接觸角達(dá)到147°，展現(xiàn)出優(yōu)異的超疏濕性能和抗腐蝕能力。

一、材料遭遇高溫熔體的挑戰(zhàn)

在鋼鐵冶金的高爐、航空航天發(fā)動機的燃燒室、以及核能系統(tǒng)的堆芯等及端環(huán)境中，材料不斷在承受高溫熔體（如礦渣、熔鹽、液態(tài)金屬）的侵蝕與滲透。材料的失效往往始于界面，而高溫潤濕性正是決定侵蝕速率的關(guān)鍵界面性質(zhì)。傳統(tǒng)常溫接觸角測試無法滿足需求，高溫接觸角測試儀應(yīng)運而生，成為連接材料設(shè)計、性能評估與工業(yè)服役壽命預(yù)測的 核心科學(xué)儀器 。

而在高溫環(huán)境下，熔體對材料的潤濕行為直接影響其滲透與腐蝕進程。 武漢科技大學(xué)耐火材料與冶金國家重點實驗室與英國埃克塞特大學(xué)研究團隊合作研究整理：《Carbon nanotubes-functionalized MgO-based castables: Super-nonwetting behavior and slag corrosion resistance》，該研究表面腐蝕速率與材料對熔體的接觸角密切相關(guān)，接觸角越大，潤濕性越弱，材料的抗腐蝕性能越好。然而，以往關(guān)于超疏濕材料的研究多集中于水或常溫液體，針對高溫熔體的超疏濕材料設(shè)計與研究仍較為有限。這項研究正是在這一背景下展開，致力于開發(fā)適用于高溫及端環(huán)境的新型抗腐蝕材料。

圖1.“超級抗渣性"概念示意圖（圖源于原文DOI：10.1016/j.conbuildmat.2024.137601）

二、仿生設(shè)計：從荷葉到高溫超疏濕表面

該研究團隊受荷葉表面微觀結(jié)構(gòu)的啟發(fā)，采用化學(xué)氣相沉積工藝，以廢聚乙烯為碳源，在MgO澆注料表面構(gòu)建出碳納米管網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，形成了具有分級粗糙度的微納表面。

該CNT-MgO材料在多種高溫熔體中均表現(xiàn)出優(yōu)異的疏濕性能：

熔渣接觸角：147°（1723K）

熔鹽（NaCl）接觸角：139°

液態(tài)銅接觸角：139°

玻璃熔體接觸角：145°

性能對比：抗腐蝕能力顯著提升

結(jié)果顯示，CNT-MgO的熔渣滲透深度僅為傳統(tǒng)MgO材料的約1/65，抗腐蝕性能顯著提高。

圖2. (a) 氯化鈉、(b) 銅和 (c) 玻璃在CNTf-MgO表面融化的接觸角攝影圖像（圖源于原文DOI：10.1016/j.conbuildmat.2024.137601）

三、機理探究：為何能實現(xiàn)高溫超疏濕？

研究結(jié)合理論計算與模擬分析，揭示了CNT-MgO超疏濕行為的主要機制：

表面能降低：碳納米管修飾使材料表面能大幅下降；

界面阻隔作用：CNT層有效抑制了熔渣與基體間的物質(zhì)交換與化學(xué)反應(yīng)；

微觀結(jié)構(gòu)增強：分級粗糙結(jié)構(gòu)進一步提高了表觀接觸角。

團隊還建立了高溫Wenzel潤濕模型，為理解和預(yù)測高溫環(huán)境下潤濕行為提供了理論工具。

四、高溫工況接觸角測試不可替代

正如上述，從廢棄塑料到“超疏渣"耐火材料的跨越 ，離不開高溫接觸角測試儀提供的精準(zhǔn)數(shù)據(jù)支持。它讓研究者“看見"了高溫下界面發(fā)生的奇跡，將抽象的“耐腐蝕"概念轉(zhuǎn)化為可測量、可優(yōu)化、可設(shè)計的科學(xué)參數(shù)。未來，這類超疏濕高溫材料有望在多個工業(yè)領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)應(yīng)用推廣，為高溫設(shè)備的長壽命、高安全運行提供材料支撐。

為什么高溫測試不可替代？

-  溫度效應(yīng)：熔體表面張力、粘度及材料表面能均隨溫度劇烈變化，常溫數(shù)據(jù)毫無指導(dǎo)意義。

-  化學(xué)反應(yīng)：高溫下固-液界面可能發(fā)生復(fù)雜的化學(xué)反應(yīng)，顯著改變潤濕行為。

-  動態(tài)過程：材料的抗?jié)B透能力體現(xiàn)在熔體不潤濕的 持續(xù)時間 ，需動態(tài)監(jiān)控。

高溫接觸角測試儀的五大核心優(yōu)勢

1. 真實工況模擬：最高可達(dá)2000℃以上，可控氣氛（真空、惰性、還原/氧化）。獲得的數(shù)據(jù)直接適用于實際工業(yè)環(huán)境，縮短研發(fā)到應(yīng)用的周期。

2. 動態(tài)過程解析：高清高速攝像，實時記錄潤濕、鋪展、反應(yīng)、蒸發(fā)全過程。不僅知道結(jié)果，更理解過程，為優(yōu)化材料提供動力學(xué)依據(jù)。

3. 量化精準(zhǔn)評估：軟件自動擬合，精確計算接觸角、尺寸參數(shù)，數(shù)據(jù)客觀可重復(fù)。替代“經(jīng)驗判斷"和“事后破壞性檢測"，實現(xiàn)材料性能的 前瞻性、量化評價 。

4. 多領(lǐng)域通用：可測試礦渣、金屬熔體、熔鹽、玻璃、陶瓷等多種高溫熔體。 一臺儀器服務(wù)冶金、航空、能源、核工等多個戰(zhàn)略行業(yè)的研發(fā)需求。

5. 指導(dǎo)材料設(shè)計：直接反饋表面改性（如涂層、織構(gòu)、復(fù)合）對潤濕性的影響。 成為開發(fā)下一代超疏、耐蝕高溫材料的“導(dǎo)航儀"。

誰需要高溫接觸角測試儀？

-  耐火材料企業(yè)：開發(fā)更長壽命的鋼包、煤氣罐、高爐內(nèi)襯。

-  航空航天研發(fā)機構(gòu)：評價熱障涂層抗CMAS熔體腐蝕性能，優(yōu)化發(fā)動機部件。

-  核電材料研究單位：篩選與液態(tài)金屬冷卻劑相容性好的結(jié)構(gòu)材料。

-  新能源公司：評估熔鹽儲熱材料、燃料電池關(guān)鍵部件的界面穩(wěn)定性。

-  高校與研究所（材料、冶金、物理、化學(xué)）：從事高溫界面科學(xué)、仿生超疏材料、高溫腐蝕機理等前沿研究。

HTC1700高溫光學(xué)接觸角測量儀由貝拓科學(xué)自主研發(fā)設(shè)計生產(chǎn)，是一款用于精確評估材料在及端高溫環(huán)境下表面潤濕性能的專業(yè)設(shè)備。該儀器可在高達(dá)1700℃的溫度下，通過光學(xué)成像與座滴法，實時測量熔體（如熔渣、熔鹽、液態(tài)金屬等）在材料表面的接觸角，測量精度達(dá)±0.1°。儀器機構(gòu)結(jié)合了人體工程學(xué)，提供人性化的樣品臺調(diào)節(jié)、光學(xué)系統(tǒng)調(diào)節(jié)，具備30級程序控溫、惰性氣氛/真空兼容、全自動錄像回放及多種擬合分析功能，廣泛適用于冶金、陶瓷、航空航天、新材料研發(fā)等領(lǐng)域的高溫界面行為研究與耐蝕材料性能評價。

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LI Y, HUANG Z, DONG L, et al. Carbon nanotubes-functionalized MgO-based castables: Super-nonwetting behavior and slag corrosion resistance[J]. Construction and Building Materials, 2024: 137601. DOI: 10.1016/j.conbuildmat.2024.137601