應用 | 看見“超疏”的力量：高溫接觸角測試儀——賦能極限工況材料創新
發布時間：2026-02-06分享至：
引言：
在冶金、高溫化工、航空航天等領域，材料在高溫熔體環境下的腐蝕問題一直制約著設備壽命與運行安全。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°，展現出優異的超疏濕性能和抗腐蝕能力。
?
一、材料遭遇高溫熔體的終極挑戰
在鋼鐵冶金的高爐、航空航天發動機的燃燒室、以及核能系統的堆芯等極端環境中，材料無時無刻不在承受高溫熔體（如礦渣、熔鹽、液態金屬）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鍵界面性質。傳統常溫接觸角測試無法滿足需求，高溫接觸角測試儀應運而生，成為連接材料設計、性能評估與工業服役壽命預測的 核心科學儀器 。
而在高溫環境下，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，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，致力于開發適用于高溫極端環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構的啟發，采用化學氣相沉積工藝，以廢聚乙烯為碳源，在MgO澆注料表面構建出碳納米管網絡結構，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出優異的疏濕性能：
熔渣接觸角：147°（1723K）
熔鹽（NaCl）接觸角：139°
液態銅接觸角：139°
玻璃熔體接觸角：145°
性能對比：抗腐蝕能力顯著提升
材料 |
熔渣接觸角 |
非潤濕時間 |
滲透深度（μm） |
原始MgO澆注料 |
19° |
極短 |
≈2308 |
商用MgO-5wt%C |
131° |
938 s |
≈2306 |
CNT-MgO（本研究） |
147° |
2798 s |
≈35 |
結果顯示，CNT-MgO的熔渣滲透深度僅為傳統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：為何能實現高溫超疏濕？
研究結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交換與化學反應；
微觀結構增強：分級粗糙結構進一步提高了表觀接觸角。
團隊還建立了高溫Wenzel潤濕模型，為理解和預測高溫環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據支持。它讓研究者“看見”了高溫下界面發生的奇跡，將抽象的“耐腐蝕”概念轉化為可測量、可優化、可設計的科學參數。未來，這類超疏濕高溫材料有望在多個工業領域實現應用推廣，為高溫設備的長壽命、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：熔體表面張力、粘度及材料表面能均隨溫度劇烈變化，常溫數據毫無指導意義。
- ?化學反應：高溫下固-液界面可能發生復雜的化學反應，顯著改變潤濕行為。
- ?動態過程：材料的抗滲透能力體現在熔體不潤濕的 持續時間 ，需動態監控。
高溫接觸角測試儀的五大核心優勢
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）。獲得的數據直接適用于實際工業環境，縮短研發到應用的周期。
2. 動態過程解析：高清高速攝像，實時記錄潤濕、鋪展、反應、蒸發全過程。不僅知道結果，更理解過程，為優化材料提供動力學依據。