超疏水表面的機(jī)械穩(wěn)定性測試方法

ICS19.040

A29

中華人民共和國國家標(biāo)準(zhǔn)

GB/TXXXX-202X

超疏水表面的機(jī)械穩(wěn)定性測試方法

Testmethodforsuperhydrophobicsurfacemechanicalstability

（征求意見稿）

202X—XX—XX發(fā)布發(fā)布202X—XX—XX實施

國家市場監(jiān)督管理總局

國家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會

前言

本文件按照GB/T1.1—2020《標(biāo)準(zhǔn)化工作導(dǎo)則第1部分：標(biāo)準(zhǔn)化文件的結(jié)構(gòu)和起草規(guī)

則》的規(guī)定起草。

請注意本文件的某些內(nèi)容可能涉及專利。本文件的發(fā)布機(jī)構(gòu)不承擔(dān)識別專利的責(zé)任。

本文件由中國機(jī)械工業(yè)聯(lián)合會提出。

本文件由全國金屬與非金屬覆蓋層標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會（SAC/TC57）歸口。

本文件起草單位：電子科技大學(xué)、武漢材料保護(hù)研究所有限公司

本文件主要起草人：

引言

超疏水材料（表面）在實際使用過程中，其表面微/納米結(jié)構(gòu)會遭受外部物體的磕碰、

刮蹭、劃傷等損壞，或在使用過程中經(jīng)受長時、重復(fù)多次的摩擦磨損，喪失超疏水功能。目

前對于超疏水表面用于抵抗摩擦磨損的機(jī)械穩(wěn)定性沒有統(tǒng)一的評估標(biāo)準(zhǔn)，其實驗方法、測試

條件、表面失效評價及判斷標(biāo)準(zhǔn)都存在較大差異。建立統(tǒng)一的超疏水性機(jī)械穩(wěn)定測試標(biāo)準(zhǔn)，

有利于超疏水表面生產(chǎn)制備的規(guī)范化，以及推進(jìn)其在工程中的實際應(yīng)用。

超疏水表面的機(jī)械穩(wěn)定性測試方法

1范圍

本文件規(guī)定了超疏水表面的機(jī)械穩(wěn)定性測試方法。

本文件適用于硬質(zhì)超疏水表面的機(jī)械強(qiáng)度與機(jī)械耐久性測試試驗。適用于金屬、合金、

陶瓷、玻璃、塑料及復(fù)合材料等非織物基底的超疏水表面測試試驗。

2規(guī)范性引用文件

下列文件中的內(nèi)容通過文中的規(guī)范性引用而構(gòu)成本文件必不可少的條款。其中，注日期

的引用文件，僅該日期對應(yīng)的版本適用于本文件；不注日期的引用文件，其最新版本（包括

所有的修改單）適用于本文件。

本文件沒有規(guī)范性引用文件。

3術(shù)語及定義

下列術(shù)語和定義適用于本標(biāo)準(zhǔn)。

3.1靜態(tài)接觸角staticcontactangle(*)

當(dāng)水滴在固體表面達(dá)到平衡，三相接觸線不移動時，在固-氣-液三相交點處作氣-液界

面的切線，該切線與固-液界線之間的角度即為接觸角。

3.2滾動角roll-offangle(roll-off)

當(dāng)水滴在傾斜表面上剛好發(fā)生滾動時，傾斜表面與水平面所形成的臨界角度。

3.3摩擦abrasion

在力作用下物體相互接觸表面之間發(fā)生的切向相對運(yùn)動或有運(yùn)動趨勢時，出現(xiàn)阻礙該運(yùn)

動行為并且伴隨著機(jī)械能量損耗的現(xiàn)在和過程。

［GB/T17754-2012.2.2］

3.4表面機(jī)械強(qiáng)度surfacemechanicalstrength

超疏水表面的超疏水功能臨界失效劃痕載荷。

3.5長效機(jī)械耐久性long-termmechanicaldurability

超疏水表面的超疏水功能循環(huán)摩擦次數(shù)。

4原理

選取硬質(zhì)合金球作為壓頭并固定于力傳感器，力傳感器通過滑桿安裝至水平移動臺，可

沿滑桿上下移動控制壓頭的垂直載荷，并隨水平移動臺沿水平方向移動。移動臺通過控制器

編程設(shè)定移動速度、距離等參數(shù)。通過向固體壓頭施加一定的垂直載荷、移動速度與移動距

離，模擬實際使用過程中的刮擦磨損。選取硬質(zhì)合金球壓頭進(jìn)行劃痕測試，取超疏水性臨界

失效時的載荷作為評價表面機(jī)械強(qiáng)度的指標(biāo)。

同機(jī)械強(qiáng)度測試裝置，選取高分子軟質(zhì)材料做壓頭進(jìn)行循環(huán)往復(fù)摩擦測試，取超疏水性

臨界失效時的循環(huán)摩擦次數(shù)作為評價表面長效機(jī)械耐久性的指標(biāo)。

超疏水失效的判斷依據(jù)為：不能同時滿足靜態(tài)水滴接觸角大于150，滾動角小于兩個條

件，即可判斷超疏水性失效。

5儀器設(shè)備

5.1接觸角測量儀

圖1為劃痕測試儀器示意圖。

圖1劃痕測試儀示意圖

5.2摩擦磨損測試儀

圖2為循環(huán)線性摩擦測試儀示意圖。

圖2循環(huán)線性摩擦測試儀示意圖

6試驗條件

6.1劃痕測試

劃痕壓頭：硬質(zhì)合金球(鎢鋼球)，具體要求：直徑28mm,洛氏硬度HRA90,表面粗糙度

1.6um，公差小于0.01mm，密度14-15g/cm3。，大直徑鋼球壓頭可確保劃痕寬度滿足劃痕處

水滴接觸角和滾動角的測試。

壓頭載荷：力傳感器精度大于0.01N，顯示讀書即為載荷值。每次劃痕測試，載荷值固

定。

水平移動臺：定向移動速度50mmmin-1，定向移動距離20mm，一次劃痕測試為一次

單向移動。

6.2線性摩擦磨損測試

磨耗壓頭：高分子軟質(zhì)材料（聚酰胺，尼龍PA66），具體要求：直徑6mm和長度10mm

的圓柱形棒狀體，密度1.3g/cm3球壓硬度H358/30190MPa，表面粗糙度3.2um。圓柱形

尼龍棒橫置，通過夾具固定于力傳感器。尼龍棒長度則是磨痕寬度，滿足水滴接觸角和滾動

角的測試。

壓頭載荷：力傳感器精度大于0.01N，顯示讀書即為載荷值。循環(huán)摩擦測試的載荷固定

為3N。水平移動臺：單向移動速度50mmmin-1，單程移動距離20mm，一次完整的往復(fù)

移動記為一次循環(huán)測試。

7試驗步驟

7.1劃痕測試

選取硬質(zhì)合金球(鎢鋼球)為壓頭，并對其施加一定的垂直載荷，利用控制器操控水平移

動臺以50mmmin-1的速度單程定向移動20mm，即完成一次劃痕測試，測試完畢后立即

測量劃痕處處靜態(tài)接觸角和滾動角，接觸角測試水滴體積為5L，滾動角測試液滴體積為10

L。若靜態(tài)接觸角小于150°或滾動角大于10°，滿足其一，即可判斷表面失效。若未失效，

則繼續(xù)增加載荷重復(fù)測試（為保證測試分辨率，載荷增加的幅度不應(yīng)超過0.1N,其他測試條

件不變）直到剛好失效為止，最終得到使測試表面的超疏水性失效的臨界劃痕載荷，即為該

超疏水表面的機(jī)械強(qiáng)度。測試環(huán)境條件：溫度20-30C,相對濕度10%-40%，接觸角測試用水

為超純水（電阻率18MΩ*cm）。接觸角測試取樣：直接取用測試表面，接觸角測試區(qū)域為

劃痕區(qū)域，隨機(jī)選取3處進(jìn)行接觸角和滾動角測試，取平均值。

7.2長效摩擦磨損測試

選取尼龍PA66高分子圓柱體作為磨損壓頭，設(shè)定垂直載荷為3N，利用控制器操控水平

移動臺以50mmmin-1的速度單程移動距離20mm，一次來回移動為一次循環(huán)，記錄循環(huán)

次數(shù)。每增加一次循環(huán)測試后，測量表面磨痕處的靜態(tài)接觸角和滾動角，接觸角測試水滴體

積為5L，滾動角測試液滴體積為10L。若靜態(tài)接觸角小于150°或滾動角大于10°，滿足

其一，即可判斷表面失效。若未失效，則繼續(xù)增加循環(huán)次數(shù)（為保證測試分辨率，循環(huán)摩擦

次數(shù)增加幅度不應(yīng)超過3次,其他測試條件不變）直到剛好失效為止。最終得到使測試表面

的超疏水性失效的臨界摩擦磨損次數(shù)，即長效機(jī)械耐久性。測試環(huán)境條件：溫度20-30C,

相對濕度10%-40%，接觸角測試用水為超純水（電阻率18MΩ*cm）。接觸角測試取樣：直接

取用測試表面，接觸角測試區(qū)域為磨痕區(qū)域，隨機(jī)選取3處進(jìn)行接觸角和滾動角測試，取平

均值。

8結(jié)果分析

8.1臨界失效劃痕載荷

通過劃痕測試試驗測得，不斷增加垂直載荷，直到通過接觸角測量儀測得表面靜態(tài)接觸

角小于150°或滾動角大于10°，此時的垂直載荷為臨界失效劃痕載荷，即表面機(jī)械強(qiáng)度。

8.2臨界失效摩擦次數(shù)

通過長效摩擦磨損測試所得，不斷增加摩擦循環(huán)次數(shù)，直到通過接觸角測量儀測得表面

靜態(tài)接觸角小于150°或滾動角大于10°，此時的循環(huán)次數(shù)為臨界失效摩擦磨損次數(shù)，即長

效機(jī)械耐久性。

8.3機(jī)械穩(wěn)定性分析

以臨界失效循環(huán)摩擦次數(shù)（長效耐久性）作為橫坐標(biāo)、臨界失效劃痕載荷（機(jī)械強(qiáng)度）

作為縱坐標(biāo)，進(jìn)行繪圖，可得測試表面的機(jī)械穩(wěn)定性散點圖，可更直觀地展現(xiàn)測試表面的機(jī)

械穩(wěn)定性并更易與其他表面材料進(jìn)行對比。

9試驗報告

試驗報告應(yīng)包含以下內(nèi)容：

a)本標(biāo)準(zhǔn)的編號；

b)試驗員和試驗日期；

c)受測試表面的相關(guān)資料，如來源、形狀等；

d)劃痕實驗與長效耐磨實驗采用壓頭的材質(zhì)；

e)劃痕實驗與長效耐磨實驗采用的載荷值；

f)劃痕實驗與長效耐磨實驗采用的壓強(qiáng)；

g)劃痕實驗與長效耐磨實驗移動臺設(shè)置的移動速度與距離；

h)接觸角測量儀器型號，接觸角和滾動角測試的水滴體積；

i)每一次測試完成后的靜態(tài)接觸角與滾動角；

j)試驗結(jié)果，包括臨界失效劃痕載荷、臨界失效循環(huán)摩擦次數(shù)與及機(jī)械穩(wěn)定性圖。

目次

前言.................................................................................................................................................4

引言.................................................................................................................................................5

1范圍.............................................................................................................................................6

2規(guī)范性引用文件........................................................................................................................6

3術(shù)語及定義.................................................................................................................................6

3.1靜態(tài)接觸角.......................................................................................................................6

3.2滾動角...............................................................................................................................6

3.3摩擦...................................................................................................................................6

3.4表面機(jī)械強(qiáng)度...................................................................................................................6

3.5長效機(jī)械耐久性...............................................................................................................7

4機(jī)械穩(wěn)定性測試方法................................................................................................................7

5設(shè)備.............................................................................................................................................7

5.1接觸角測量儀......................................................................................................................7

5.2摩擦磨損測試儀.................................................................................................................8

6試驗條件.....................................................................................................................................8

6.1劃痕測試..............................................................................................................................8

6.2線性摩擦磨損測試.............................................................................................................8

7試驗步驟.....................................................................................................................................9

7.1劃痕測試..............................................................................................................................9

7.2長效摩擦磨損測試..............................................................................................................9

8結(jié)果分析..................................................................................................................................10

8.1臨界失效劃痕載荷............................................................................................................10

8.2臨界失效摩擦次數(shù)...........................................................................................................10

8.3機(jī)械穩(wěn)定性分析................................................................................................................10

9試驗報告..................................................................................................................................10

超疏水表面的機(jī)械穩(wěn)定性測試方法

1范圍

本文件規(guī)定了超疏水表面的機(jī)械穩(wěn)定性測試方法。

本文件適用于硬質(zhì)超疏水表面的機(jī)械強(qiáng)度與機(jī)械耐久性測試試驗。適用于金屬、合金、

陶瓷、玻璃、塑料及復(fù)合材料等非織物基底的超疏水表面測試試驗。

2規(guī)范性引用文件

下列文件中的內(nèi)容通過文中的規(guī)范性引用而構(gòu)成本文件必不可少的條款。其中，注日期

的引用文件，僅該日期對應(yīng)的版本適用于本文件；不注日期的引用文件，其最新版本（包括

所有的修改單）適用于本文件。

本文件沒有規(guī)范性引用文件。

3術(shù)語及定義

下列術(shù)語和定義適用于本標(biāo)準(zhǔn)。

3.1靜態(tài)接觸角staticcontactangle(*)

當(dāng)水滴在固體表面達(dá)到平衡，三相接觸線不移動時，在固-氣-液三相交點處作氣-液界

面的切線，該切線與固-液界線之間的角度即為接觸角。

3.2滾動角roll-offangle(roll-off)

當(dāng)水滴在傾斜表面上剛好發(fā)生滾動時，傾斜表面與水平面所形成的臨界角度。

3.3摩擦abrasion

在力作用下物體相互接觸表面之間發(fā)生的切向相對運(yùn)動或有運(yùn)動趨勢時，出現(xiàn)阻礙該運(yùn)

動行為并且伴隨著機(jī)械能量損耗的現(xiàn)在和過程。

［GB/T17754-2012.2.2］

3.4表面機(jī)械強(qiáng)度surfacemechanicalstrength

超疏水表面的超疏水功能臨界失效劃痕載荷。

3.5長效機(jī)械耐久性long-termmechanicaldurability

超疏水表面的超疏水功能循環(huán)摩擦次數(shù)。

4原理

選取硬質(zhì)合金球作為壓頭并固定于力傳感器，力傳感器通過滑桿安裝至水平移動臺，可

沿滑桿上下移動控制壓頭的垂直載荷，并隨水平移動臺沿水平方向移動。移動臺通過控制器

編程設(shè)定移動速度、距離等參數(shù)。通過向固體壓頭施加一定的垂直載荷、移動速度與移動距

離，模擬實際使用過程中的刮擦磨損。選取硬質(zhì)合金球壓頭進(jìn)行劃痕測試，取超疏水性臨界

失效時的載荷作為評價表面機(jī)械強(qiáng)度的指標(biāo)。

同機(jī)械強(qiáng)度測試裝置，選取高分子軟質(zhì)材料做壓頭進(jìn)行循環(huán)往復(fù)摩擦測試，取超疏水性

臨界失效時的循環(huán)摩擦次數(shù)作為評價表面長效機(jī)械耐久性的指標(biāo)。

超疏水失效的判斷依據(jù)為：不能同時滿足靜態(tài)水滴接觸角大于150，滾動角小于兩個條

件，即可判斷超疏水性失效。

5儀器設(shè)備

5.1接觸角測量儀

圖1為劃痕測試儀器示意圖。

圖1劃痕測試儀示意圖

5.2摩擦磨損測試儀

圖2為循環(huán)線性摩擦測試儀示意圖。

圖2循環(huán)線性摩擦測試儀示意圖

6試驗條件

6.1劃痕測試

劃痕壓頭：硬質(zhì)合金球(鎢鋼球)，具體要求：直徑28mm,洛氏硬度HRA90,表面粗糙度

1.6um，公差小于0.01mm，密度14-15g/cm3。，大直徑鋼球壓頭可確保劃痕寬度滿足劃痕處

水滴接觸角和滾動角的測試。

壓頭載荷：力傳感器精度大于0.01N，顯示讀書即為載荷值。每次劃痕測試，載荷值固

定。

水平移動臺：定向移動速度50mmmin-1，定向移動距離20mm，一次劃痕測試為一次

單向移動。

6.2線性摩擦磨損測試

磨耗壓頭：高分子軟質(zhì)材料（聚酰胺，尼龍PA66），具體要求：直徑6mm和長度10mm

的圓柱形棒狀體，密度1.3g/cm3球壓硬度H358/30190MPa，表面粗糙度3.2um。圓柱形

尼龍棒橫置，通過夾具固定于力傳感器。尼龍棒長度則是磨痕寬度，滿足水滴接觸角和滾動

角的測試。

壓頭載荷：力傳感器精度大于0.01N，顯示讀書即為載荷值。循環(huán)摩擦測試的載荷固定

為3N。水平移動臺：單向移動速度50mmmin-1，單程移動距離20mm，一次完整的往復(fù)

移動記為一次循環(huán)測試。

7試驗步驟

7.1劃痕測試

選取硬質(zhì)合金球(鎢鋼球)為壓頭，并對其施加一定的垂直載荷，利用控制器操控水平移

動臺以50mmmin-1的速度單程定向移動20mm，即完成一次劃痕測試，測試完畢后立即

測量劃痕處處靜態(tài)接觸角和滾動角，接觸角測試水滴體積為5L，滾動角測試液滴體積為10

L。若靜態(tài)接觸角小于150°或滾動角大于10°，滿足其一，即可判斷表面失效。若未失效，

則繼續(xù)增加載荷重復(fù)測試（為保證測試分辨率，載荷增加的幅度不應(yīng)超過0.1N,其他測試條

件不變）直到剛好失效為止，最終得到使測試表面的超疏水性失效的臨界劃痕載荷，即為該

超疏水表面的機(jī)械強(qiáng)度。測試環(huán)境條件：溫度20-30C,相對濕度10%-40%，接觸角測試用水

為超純水（電阻率18MΩ*cm）。接觸角測試取樣：直接取用測試表面，接觸角測試區(qū)域為

劃痕區(qū)域，隨機(jī)選取