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前沿 | 仿生涂層技術(shù)提升鎂合金耐蝕功能的科研進(jìn)展

2017-10-25 10:24:08 作者：本網(wǎng)整理來源：國際仿生工程學(xué)會分享至：

能源與環(huán)境是人類生存的必要條件。社會倡導(dǎo)節(jié)能減排，要求工程材料輕量化。鎂合金具有密度小、比強度高等性能優(yōu)勢，已被廣泛應(yīng)用于電子器件、生物材料、交通工具和航空航天等領(lǐng)域。但鎂具有較高的化學(xué)活性，鎂合金表面很難形成有鈍化作用的保護(hù)膜，因此耐蝕性差。如何提高鎂合金耐蝕性是拓展鎂合金應(yīng)用面臨的瓶頸難題。針對此問題，國際仿生工程學(xué)會會員浙江大學(xué)谷長棟副教授團隊近期開展了仿生技術(shù)對鎂合金表面功能拓展的應(yīng)用研究。

常溫腐蝕的發(fā)生通常與鎂合金直接接觸腐蝕液所致。疏水仿生涂層可達(dá)到阻擋金屬基體與腐蝕液直接接觸的目的，因此鎂合金表面的耐腐蝕處理通常采用疏水涂層工藝。浙大谷長棟團隊提出通過調(diào)控離子液體與鎂合金之間的固/液界面反應(yīng)，在低共熔溶劑型類離子液體中構(gòu)筑微納結(jié)構(gòu)耐蝕轉(zhuǎn)化膜的技術(shù)途徑。經(jīng)疏水化改性之后，涂層具有超疏水功能，并達(dá)到延緩鎂合金基體腐蝕的目的。該方法利用了鎂合金在離子液體中的惰性，借助“熱”引發(fā)固/液界面反應(yīng)，達(dá)到調(diào)控鎂合金轉(zhuǎn)化膜結(jié)構(gòu)的目的。圖1為鎂合金基體經(jīng)不同時間離子熱處理后的表面及接觸角測量結(jié)果。相關(guān)成果發(fā)表在Corrosion Sci. 2016, 106C, 108。

圖1 AZ31鎂合金基底（a）及離子熱反應(yīng)1 h（b）、2 h（c）和3 h（d）后的樣品表面，插圖為硬脂酸改性后的靜態(tài)接觸角。

當(dāng)超疏水涂層浸于腐蝕液中時，涂層與腐蝕液間的空氣層處于亞穩(wěn)態(tài)，會逐漸被液相置換，即潤濕性由Cassie state轉(zhuǎn)為Wenzel state，此時的涂層僅能為基體提供物理防護(hù)功能。針對如何使疏水涂層在發(fā)生潤濕性轉(zhuǎn)變后仍能保持較高耐蝕性這一難題，浙大谷長棟團隊設(shè)計出了“具有自愈合功能的超疏水涂層”，將其應(yīng)用于鎂合金的表面防護(hù)（圖2）。實現(xiàn)這種智能涂層設(shè)計，首先要在鎂合金基體上制備一層具有自愈合功能的轉(zhuǎn)化膜，再對其表面進(jìn)行超疏水改性。NaCl溶液中的浸泡實驗表明，機械劃傷樣品最初表現(xiàn)為超疏水狀態(tài)，隨后氣囊層消失，進(jìn)入Wenzel潤濕態(tài)，腐蝕液接觸涂層表面后激發(fā)涂層的自愈合功能，表面劃痕愈合（圖3）。相關(guān)成果發(fā)表Adv. Mater. Interf. 2016, 3 （14）， 1500694。

圖2 自愈合功能的超疏水涂層的耐腐蝕機制。

圖3 帶劃痕的轉(zhuǎn)化膜在模擬腐蝕液中的自愈合現(xiàn)象。

將仿生涂層設(shè)計與多重防護(hù)機制結(jié)合，為鎂合金腐蝕防護(hù)提供了新思路。受仿生科研人員對豬籠草緣口區(qū)液滴超滑特性研究成果的啟發(fā)，浙大谷長棟研究團隊首次在鎂合金表面構(gòu)筑了具有多層結(jié)構(gòu)、超滑特性的轉(zhuǎn)化膜體系。底層較致密，與基體結(jié)合牢固，起物理防護(hù)功能；表層由納米片織構(gòu)組成，改性后可吸附與水不互溶的潤滑油（圖4），構(gòu)成超潤滑表面（slipperyliquid infused porous surface, SLIPS），賦予鎂合金疏水功能。SLIPS轉(zhuǎn)化膜涂層與超疏水（Superhydrophobic）涂層相比，表現(xiàn)出更顯著和更持久的耐腐蝕性和防結(jié)冰功效。相關(guān)成果發(fā)表在ACS Appl. Mater. Interfaces, 2017, 9 （12）， 11247。