Contact angle hysteresis due to roughness in four metal/sapphire systems

Laboratoire de Thermodynamique et Physico-Chimie Métallurgiques, CNRS UA 29, ENSEEG, BP 75, 38402 Saint-Martin-d'Hères Cédex, France.

Abstract

Reversible advancing and receding contact angles of four metallic liquids (Hg, Sn, Al and Al-Sn_4,76at%) on sapphire were measured by the immersion-emersion tensiometric technique. Alumina cylinders with a mean random surface roughness from a few nanometres to about two micrometres are used. For the non-wetting liquids (Hg, Sn), composite wetting is observed even with roughness as low as 0.5mm. For the wetting liquids (Al and Al-alloy), a residual hysteresis of the contact angle was found at vanishing roughness, a fact that was ascribed to a slight attack of alumina by liquid aluminium, inducing surface anisotropy. Results are described by a single equation which relates the difference between the cosine of advancing and receding contact angles to the surface roughness parameters of the solid.

Résumé

La méthode tensiométrique d’immersion-émersion nous permet de mesurer les angles de contact réversibles d'avance et de recul de 4 liquides métalliques (Hg, Sn, Al et Al-Sn_4,76at%) sur du saphir. La rugosité des cylindres d'alumine utilisés est aléatoire et varie de quelques nanomètres à deux microns. Dans les liquides non-mouillants (Hg et Sn), nous observons le mouillage composite dès que la rugosité dépasse 0.5 mm. Les liquides mouillants (Al et Al-Sn) présentent un hysteresis résiduel de l'angle de contact à une rugosité infime, ce que nous attribuons à une légère attaque de l'alumine par l'aluminium liquide de laquelle résulte une anisotropie de surface. Nos résultats sont décrits par une équation reliant la différence des cosinus des angles d’avance et de recul aux paramètres de rugosité du solide.