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镁科研

镁合金表面超疏水涂层研究进展

发布时间：2023-05-15 作者：综合管理部 浏览量：

镁及镁合金由于具有低密度、高比强度、优异的振动和冲击吸收性能、良好的热/电导率和生物相容性等特点，在汽车、电子集成电路、生物医学、航空航天等领域受到了研究者的广泛关注。然而，镁合金耐腐蚀性能较差，阻碍了其进一步广泛应用。超疏水涂层（SHPC，表观接触角Cθ>150°）是解决镁及镁合金腐蚀性能较差的有效方法之一。通过制备具有合适粗糙度和低表面能的表面可实现涂层的超疏水性。此外，还可通过引入超分子等制备出具有自愈合能力的超疏水SHPC涂层，进一步提高耐蚀性。但超疏水SHPC表面的耐久性较差，阻碍了其在工业领域广泛应用。

近日，来自沙特阿拉伯法赫德国王石油与矿业大学的Viswanathan S. Saji博士综述了超疏水涂层提高镁及镁合金耐腐蚀性能的最新研究进展，总结了制备低表面能、分层表面微纳米结构的各种方法，介绍了SHPC涂层在防腐、生物医学和防结冰等领域的应用情况，以及超疏水表面的自修复特性和长期耐久性，讨论了SHPC涂层的未来研究方向。

1）SHPC表面改性可有效提高镁合金的耐蚀性，综述总结了制备低表面能SHPC表面的不同方法。对于Al、Ti、Cu等基体而言，常采用硅烷/氟基化合物进行低硒处理制备超疏水SHPC表面。而对镁及镁合金而言，从图1A可以看出，最常使用的是长链饱和脂肪酸化合物，如硬脂酸(SA)、肉豆蔻酸(MA)和月桂酸(LA)，约占55%，其中硬脂酸最常用；其次是硅烷和氟基化合物，约占33%。图1B和图1C分别是基于SA/MA/LA和硅烷/氟基化合物体系进行低硒处理的不同工艺。在SA/MA/LA低硒处理中，超过65%采用了溶液直接浸泡法，其中约一半是在室温下进行浸泡和干燥。

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图1 (A)镁合金表面不同低硒处理所使用的材料，通过 (B)SA/MA/LA，(C)硅烷/氟基化合物进行低硒处理
2）综述了制备分层表面微纳米结构的不同方法。其中最常用的是水热法和溶剂热法，其次是直接浸泡法，还有的采用了化学刻蚀、电沉积、化学沉积、电化学阳极氧化和微弧氧化等。电化学阳极氧化和微弧氧化可在金属表面制备一层较厚的氧化转化膜，具有良好的屏障效应，可提供优异的耐腐蚀性能。此外，还有部分研究使用激光毛化、电火花加工、溅射、盐雾和静电纺丝等方法成功制备了具有优异自清洁性能的SHPC表面。
3）综述了SHPC涂层在防腐、生物医学和防结冰等领域的研究成果以及该涂层的耐久性和自愈合性能。超过90%与SHPC涂层相关的工作旨在提高镁合金的耐腐蚀性能。研究结果表明，SHPC样品的腐蚀电流密度icorr比基体降低了1至4个数量级，耐腐蚀性能显著增强。而在3.5 wt % NaCl溶液中连续浸泡时，大多数SHPC样品在数小时或数天后被腐蚀，SHPC样品的长期耐腐蚀性能有待提高。通过引入超分子（纳米容器、硅酸镁纳米管等），开发自愈合SHPC涂层，可有效解决该问题。SHPC涂层在生物医学领域也具有较大潜力，通过电泳沉积可在镁合金表面制备生物医用级SHPC涂层。但关于SHPC涂层在生物医学和防结冰等领域的应用还需进一步研究，以优化材料和加工条件，并制定相应标准。
4）讨论了同时具有超疏水特性（SHPC）和超疏油特性（SOPC）的超双疏SAPC表面。通过总结前人工作，证明了超双疏SAPC表面更耐蚀和更稳定，其在更宽的pH值范围中表现出更好的耐腐蚀性和优异的稳定性，并在3个月的空气暴露期间表现出优异的耐久性。但目前关于超双疏表面在镁合金方面的研究较少，因此有必要进行深入研究，以设计开发出更耐蚀和更耐久的镁合金表面涂层。
5）讨论了SHPC涂层的研究前景。由于氟和基于有机硅烷的化学制剂具有毒性作用，未来的研究工作将集中在寻找环保和高效的替代品上，如可用天然低硒脂肪酸功能化的低硒纳米颗粒（NPs）。通过加入纳米颗粒，可进一步提高材料的耐磨性能和力学性能等，如加入硅烷功能化硬质陶瓷颗粒，提高材料耐磨性；加入功能化SiO2纳米颗粒，提高材料的机械耐久性。此外，目前关于在镁合金表面制备SHPC涂层的研究仍然较少，有关铝和钛的相关工作可进一步推广应用于镁合金。加大对SHPC表面进行深入研究，有望发展经济、环保和简单的加工工艺，开发出更耐腐蚀和更耐久的自愈合SHPC涂层。=

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