可靠制造过程中测量接触角的最佳方法

“材料科学”声音利基，甚至有点奇特，但没有制造商对材料科学原则的影响造成建立可靠产品的陌生人。

物质相互反应。材料的特性会影响这些相互作用的发生。准确地预测和计划材料的相互作用是每个材料科学家工作的重要组成部分。精明、主动的材料管理为制造商提供了竞争优势，因为它提高了生产效率，减少了浪费，改善了现场性能。

表面性质可以有意，或者无意地，操纵以影响性能结果，并控制制造过程中的这些表面特性变量是预测可靠性的关键。

什么是表面质量？

表面性质超出了宏观特征，如粗糙度、光泽或颜色。由表面分子结构控制的纳米级化学和物理性质是对粘附很重要的表面性质。这种表面结构总是不同于材料的体结构。正是这种结构决定了材料相互作用的方式，从而决定了一系列关键的性能，如粘合、涂层和绘画。

表面可以是坚固的和惰性的或不断变化的，因为他们通过制造环境和过程。当材料科学家想要创造一个新的表面时，他们将寻求通过各种方法改变表面，包括清洁，激活，磨损或使用其他方法来操纵一个表面。材料科学家需要验证他们的表面处理方法创建了他们想要的精确表面。

表面质量是指在整个表面的整个表面上实现化学成分和化学结构均匀性。表面能测量是检测表面质量和液体最方便、准确、定量的方法nba直播欧宝 是测量表面能的最可靠和有用的方法。接触角是由表面上的一滴液体建立的形状的量度，并且与液体被吸引到表面的强烈地是直接相关的。它对表面的组成和结构的非常小的变化非常敏感。接触角测量允许制造商能够快速学习大量关于其表面的质量。

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接触角(也称为润湿角)是液滴表面和液滴所在表面之间形成的角。如果液滴在表面扩散形成一个低圆顶，角度就小。如果液体“珠化”，它就形成了一个大的接触角。液滴扩散的程度直接与液体分子对材料表面分子的吸引强度有关。液滴表面的液体分子之间的吸引力称为表面张力，材料表面的分子之间的吸引力称为表面能。如果表面能比表面张力高，液体分子被强烈吸引到表面，液滴扩散形成一个低接触角。当表面能相对于表面张力较低时，液体分子更容易被自身吸引，液体珠状向上，形成较高的接触角。

水滴的接触角受到用于粘合的部分的表面能量的影响。

水滴的接触角受到用于粘合的部分的表面能量的影响。

材料的表面能是涂层、粘合剂、油漆、墨水或密封剂如何与表面发生反应的一个惊人的准确预测器。通过接触角测量，制造商可以知道他们在清洗过程中需要达到的公差，以达到适当的表面能水平，从而成功地附着。

焦管测量仪的演变

液滴在固体表面上的形状、固体的表面能和水滴的表面张力之间的关系至少可以追溯到19世纪早期的托马斯·杨。接触角测角术(字面上的“角度测量”)作为一种表征液固相互作用的手段，在1960年代随着威廉·齐斯曼(William Zisman)海军研究实验室(NRL)测角仪的发展向前迈出了重要的一步。nrl型测角仪是一种非常适合实验室调查的精密仪器。大多数基于实验室的接触角测角器都是基于这种经久不衰的设计。

在BTG实验室，我们在研发和产品开发中广泛使用nrl型测角仪。例如，我们在20世纪90年代末的复合材料可负担性倡议(CAI)项目中使用了一个测角仪。我们被引入CAI项目，提供材料科学专业知识，以帮助建立复合材料的表面处理、表面能量学和粘合剂粘结性能之间的关系。尽管在CAI项目结束时，我们帮助建立的测量提供了我们的目标过程控制，但很明显，标准的nrl型测角仪不适合在制造环境中进行这些测量。我们认识到需要一种便携的设备，可以在高速率、高量的生产环境中直接用于真实零件。

美国空军同意这些结论，并资助BTG实验室开发一种替代方法。最初的结果是如此令人鼓舞，以至于我们能够从国防部(DoD)和俄亥俄州获得额外的开发支持。其结果是最先进的接触角测量技术体现在表面分析师™生产线。我们的想法抓住了。表面分析师用于在进行表面清洁后验证清洁度水平。所有行业都采用了表面分析师产品线，依赖于持续的产品性能的有效服务粘附的所有行业。制造商了解，表面分析师产品系列将帮助他们在所有粘合表面上实现一致的质量和性能。

表面分析师技术VS Benchtop Goniometry

nrl类型的测角仪和Surface Analyst之间的基本区别在于，它们可以更紧凑、更方便，既可以轻松手持，也可以部署在全自动仪器中进行过程测量和控制。这些差异显著提高了测量的速度和精度，以及可测量表面类型的灵活性。主要的差异领域是:

1. 液沉积方法
2. 一旦液滴沉积接触角计算的方法

这些区别为创建方便的手持设备提供了灵活性，这种设备非常适合直接在生产线上使用，也适合在实验室进行工艺开发。

在表面上沉积一滴液体

一个标准的测角仪通过注射器或一根管子泵送液体，然后通过轻轻接触将完全形成的液滴转移到表面;液体和表面之间的附着力导致液滴从油管或针头上分离。表面分析系列仪器使用了一种叫做弹道沉积的专利工艺:液滴通过喷墨技术直接打印在表面上。在其他优点中，弹道沉积技术允许液体滴在任何方向或曲率的表面上快速打印，使其对具有复杂的模压、加工或冲压几何图形的表面进行查询变得微不足道。

在弹道沉积过程中，动能传递给不断增长的水滴带来了其他主要优势，特别是用于测量具有微观粗糙度、尘埃颗粒和化学不均一性的真实表面。液滴印刷过程的影响导致液滴的周长在沉积液体所需的几百毫秒内前进和后退数倍。液滴周长的高频振动阻止了不断增长的液滴被非均匀性钉住，因此，它建立了一个真正的平衡接触角，准确地反映了表面的化学成分。

另一个优点是，由于传递给液滴的动能是可控的，弹道沉积可以通过前进或后退接触角之间的宽谱进行调整。(我们将在以后的博客文章中详细介绍前进角和后退角的特性。)可以这样说，在弹道沉积参数中调整一定数量的后退角字符，结果是一个测量，实际上是更敏感的表面化学的微妙变化，控制粘附比nrl型测角仪使用的静态滴。

测量下降的接触角

表面分析师技术的另一个重要分化特性是使用下落的落下图像来计算接触角。这与NRL型测电仪使用的配置文件视图相反。自上而下的方法通过使用不受限制的侧视图或反射镜来获取图像来简化光学器件，通过不受限制的侧视图或反射镜来简化光学器件。该特征允许在表面分析器上进行通用检查头，使得足够小，以获得从难以到达复杂部件上的位置的测量，例如凹槽和凹槽。高度纹理的表面，如砂砾喷砂金属或织物印迹复合材料，其中纹理模糊了真实的下降边缘，是微不足道的测量。该方法还允许在凹槽或密封槽的底部或填充的电路板上测量。

虽然在实验室制备的表面上的液滴通常是非常圆的，但在制造过程中遇到的真实表面往往不是圆的:液滴的周长周围有一个接触角的范围，这是因为化学和纹理的微小变化。侧视测角仪只选取其中的两个角度来计算整体跌落轮廓。自上而下方法返回的接触角更能代表真实的平均接触角，因为它是跌落周长周围多达100个接触角的平均值。

可重复性和精度对于用于过程控制的测功机是至关重要的

我们可以看到弹道沉积过程对表面化学细微变化的敏感性的一个很好的例子，当我们直接比较来自表面分析器的接触角测量值与来自nrl型测角仪的测量值时，两个测角仪分别是台式装置和连接到笔记本电脑的小型便携式装置。这个比较是由弗劳恩霍夫研究所评价大气等离子体处理对铝的影响。

从图中可以看出，由于表面能的增加，三种仪器测量的接触角随着等离子体处理停留时间的增加而减小。然而，通过弹道沉积法沉积的水滴和通过自上而下方法测量的水滴显示出更平滑、更一致和更强的处理水平反应。表面分析方法在过程开发和过程控制方面的优势是显而易见的。

表面分析师是一个测量角度的测量仪。然而，它与基于传统台式接触角测功米的仪器的基本方式不同，它使用弹道沉积来建立接触角，结合自上而下的成像方法。它允许客观且极其灵敏和可重复测量的表面化学，这是用于制造过程控制的特别方便。额外的好处是，它在完全自动化系统中可以轻松部署，用于脱离过程控制，数据流可以容易地结合到整个控制系统中。

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