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。 武漢科技大學耐火材料與冶金國家重點實驗室與英國埃克塞特大學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。

-  化學反應(yīng)：高溫下固-液界面可能發(fā)生復(fù)雜的化學反應(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)化材料提供動力學依據(jù)。

3. 量化精準評估：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）：從事高溫界面科學、仿生超疏材料、高溫腐蝕機理等前沿研究。

HTC1700高溫光學接觸角測量儀由貝拓科學自主研發(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1700℃的溫度下，通過光學成像與座滴法，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±0.1°。儀器機構(gòu)結(jié)合了人體工程學，提供人性化的樣品臺調(diào)節(jié)、光學系統(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