应用 | 看见“超疏”的力量：高温接触角测试仪——赋能极限工况材料创新

引言：

在冶金、高温化工、航空航天等领域，材料在高温熔体环境下的腐蚀问题一直制约着设备寿命与运行安全。近日，一项材料研究取得重要进展——通过碳纳米管功能化改性的MgO基浇注料（CNT-MgO）在1723K高温下对熔渣的接触角达到147°，展现出优异的超疏湿性能和抗腐蚀能力。

一、材料遭遇高温熔体的挑战

在钢铁冶金的高炉、航空航天发动机的燃烧室、以及核能系统的堆芯等及端环境中，材料不断在承受高温熔体（如矿渣、熔盐、液态金属）的侵蚀与渗透。材料的失效往往始于界面，而高温润湿性正是决定侵蚀速率的关键界面性质。传统常温接触角测试无法满足需求，高温接触角测试仪应运而生，成为连接材料设计、性能评估与工业服役寿命预测的 核心科学仪器 。

而在高温环境下，熔体对材料的润湿行为直接影响其渗透与腐蚀进程。 武汉科技大学耐火材料与冶金国家重点实验室与英国埃克塞特大学研究团队合作研究整理：《Carbon nanotubes-functionalized MgO-based castables: Super-nonwetting behavior and slag corrosion resistance》，该研究表面腐蚀速率与材料对熔体的接触角密切相关，接触角越大，润湿性越弱，材料的抗腐蚀性能越好。然而，以往关于超疏湿材料的研究多集中于水或常温液体，针对高温熔体的超疏湿材料设计与研究仍较为有限。这项研究正是在这一背景下展开，致力于开发适用于高温及端环境的新型抗腐蚀材料。

图1.“超级抗渣性"概念示意图（图源于原文DOI：10.1016/j.conbuildmat.2024.137601）

二、仿生设计：从荷叶到高温超疏湿表面

该研究团队受荷叶表面微观结构的启发，采用化学气相沉积工艺，以废聚乙烯为碳源，在MgO浇注料表面构建出碳纳米管网络结构，形成了具有分级粗糙度的微纳表面。

该CNT-MgO材料在多种高温熔体中均表现出优异的疏湿性能：

熔渣接触角：147°（1723K）

熔盐（NaCl）接触角：139°

液态铜接触角：139°

玻璃熔体接触角：145°

性能对比：抗腐蚀能力显著提升

结果显示，CNT-MgO的熔渣渗透深度仅为传统MgO材料的约1/65，抗腐蚀性能显著提高。

图2. (a) 氯化钠、(b) 铜和 (c) 玻璃在CNTf-MgO表面融化的接触角摄影图像（图源于原文DOI：10.1016/j.conbuildmat.2024.137601）

三、机理探究：为何能实现高温超疏湿？

研究结合理论计算与模拟分析，揭示了CNT-MgO超疏湿行为的主要机制：

表面能降低：碳纳米管修饰使材料表面能大幅下降；

界面阻隔作用：CNT层有效抑制了熔渣与基体间的物质交换与化学反应；

微观结构增强：分级粗糙结构进一步提高了表观接触角。

团队还建立了高温Wenzel润湿模型，为理解和预测高温环境下润湿行为提供了理论工具。

四、高温工况接触角测试不可替代

正如上述，从废弃塑料到“超疏渣"耐火材料的跨越 ，离不开高温接触角测试仪提供的精准数据支持。它让研究者“看见"了高温下界面发生的奇迹，将抽象的“耐腐蚀"概念转化为可测量、可优化、可设计的科学参数。未来，这类超疏湿高温材料有望在多个工业领域实现应用推广，为高温设备的长寿命、高安全运行提供材料支撑。

为什么高温测试不可替代？

-  温度效应：熔体表面张力、粘度及材料表面能均随温度剧烈变化，常温数据毫无指导意义。

-  化学反应：高温下固-液界面可能发生复杂的化学反应，显著改变润湿行为。

-  动态过程：材料的抗渗透能力体现在熔体不润湿的 持续时间 ，需动态监控。

高温接触角测试仪的五大核心优势

1. 真实工况模拟：最高可达2000℃以上，可控气氛（真空、惰性、还原/氧化）。获得的数据直接适用于实际工业环境，缩短研发到应用的周期。

2. 动态过程解析：高清高速摄像，实时记录润湿、铺展、反应、蒸发全过程。不仅知道结果，更理解过程，为优化材料提供动力学依据。

3. 量化精准评估：软件自动拟合，精确计算接触角、尺寸参数，数据客观可重复。替代“经验判断"和“事后破坏性检测"，实现材料性能的 前瞻性、量化评价 。

4. 多领域通用：可测试矿渣、金属熔体、熔盐、玻璃、陶瓷等多种高温熔体。 一台仪器服务冶金、航空、能源、核工等多个战略行业的研发需求。

5. 指导材料设计：直接反馈表面改性（如涂层、织构、复合）对润湿性的影响。 成为开发下一代超疏、耐蚀高温材料的“导航仪"。

谁需要高温接触角测试仪？

-  耐火材料企业：开发更长寿命的钢包、煤气罐、高炉内衬。

-  航空航天研发机构：评价热障涂层抗CMAS熔体腐蚀性能，优化发动机部件。

-  核电材料研究单位：筛选与液态金属冷却剂相容性好的结构材料。

-  新能源公司：评估熔盐储热材料、燃料电池关键部件的界面稳定性。

-  高校与研究所（材料、冶金、物理、化学）：从事高温界面科学、仿生超疏材料、高温腐蚀机理等前沿研究。

HTC1700高温光学接触角测量仪由贝拓科学自主研发设计生产，是一款用于精确评估材料在及端高温环境下表面润湿性能的专业设备。该仪器可在高达1700℃的温度下，通过光学成像与座滴法，实时测量熔体（如熔渣、熔盐、液态金属等）在材料表面的接触角，测量精度达±0.1°。仪器机构结合了人体工程学，提供人性化的样品台调节、光学系统调节，具备30级程序控温、惰性气氛/真空兼容、全自动录像回放及多种拟合分析功能，广泛适用于冶金、陶瓷、航空航天、新材料研发等领域的高温界面行为研究与耐蚀材料性能评价。

本文有删减更多详细，请参考原文（侵权必删）：

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