生活中隨處可見(jiàn)金屬的腐蝕現(xiàn)象，從天上到地下，從海洋到陸地，大到巨輪，人造衛(wèi)星，小到電腦中的芯片，包括石化，石油，化工，電力，城市管線等各行各業(yè)，只要涉及材料就有腐蝕問(wèn)題。可見(jiàn)，腐蝕與人們的生活息息相關(guān)，腐蝕給人類帶來(lái)了巨大的經(jīng)濟(jì)損失和社會(huì)危害。

金屬腐蝕是金屬在化學(xué)環(huán)境下自發(fā)進(jìn)行的過(guò)程，比如金屬與水接觸以后形成電極，發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)。由于室外環(huán)境下金屬與水的接觸無(wú)法避免，因此會(huì)產(chǎn)生電化學(xué)反應(yīng)，嚴(yán)重降低金屬材料的性能。金屬材料遭到腐蝕后，在外形，色澤，以及機(jī)械性能方面會(huì)發(fā)生重大變化，嚴(yán)重時(shí)將導(dǎo)致金屬制品無(wú)法使用，甚至造成設(shè)備事故和人員傷亡。

根據(jù)金屬腐蝕的反應(yīng)機(jī)理 ，腐蝕可以分為電化學(xué)腐蝕和化學(xué)腐蝕。電化學(xué)腐蝕是指金屬表面與離子導(dǎo)電的介質(zhì)因發(fā)生電化學(xué)作用而產(chǎn)生的破壞，化學(xué)腐蝕是指金屬表面與非電解質(zhì)直接發(fā)生純化學(xué)作用而引起的破壞。電化學(xué)腐蝕是最常見(jiàn)，最普遍的腐蝕。因?yàn)橹灰M成環(huán)境的介質(zhì)中有凝聚態(tài)的水存在，金屬的腐蝕就會(huì)以電化學(xué)腐蝕的形式進(jìn)行。金屬在各種電解質(zhì)水溶液 , 以及大氣、海水和土壤等介質(zhì)中所發(fā)生的腐蝕都屬于電化學(xué)腐蝕。環(huán)境介質(zhì)中引起金屬腐蝕的物質(zhì)主要是氧分子和氫離子， 它們分別導(dǎo)致金屬的耗氧腐蝕和析氫腐蝕 ,其中又以耗氧腐蝕最為普遍。

為了防止金屬的腐蝕，人們想出了各種各樣的方法。電廠鍋爐在運(yùn)行時(shí)通常采用熱力除氧和化學(xué)除氧的方法除去爐水中的溶解氧， 防止鍋爐系統(tǒng)發(fā)生耗氧腐蝕，通過(guò)在爐水中加入氨水等堿性物質(zhì)將爐水的 pH值提高至 8.5 ～ 9.2, 進(jìn)一步提高熱力系統(tǒng)中鋼材的耐蝕性能。

有的人采用陰陽(yáng)極保護(hù)法來(lái)避免金屬的腐蝕。

什么是陰極保護(hù)法呢？

它是指對(duì)被保護(hù)的金屬進(jìn)行外加陰極極化處理以減少或防止金屬腐蝕的方法，適用于能導(dǎo)電的、易進(jìn)行陰極極化且結(jié)構(gòu)不太復(fù)雜的體系 ,目前在地下管道、船舶碼頭 、橋梁等的保護(hù)中較常用。

陽(yáng)極保護(hù)法是指利用直流電源對(duì)被保護(hù)的金屬體系通入陽(yáng)極電流 ,使金屬陽(yáng)極極化到鈍化區(qū)而得到保護(hù)的方法。這種保護(hù)方法只適用于可以發(fā)生鈍化的體系 ———金屬在體系介質(zhì)中的陽(yáng)極極化曲線存在鈍化區(qū) ，一般在強(qiáng)氧化性介質(zhì)中應(yīng)用較多。

有人用耐蝕性較強(qiáng)的金屬或非金屬來(lái)覆蓋耐蝕性較弱的金屬 ,將主體金屬與腐蝕性介質(zhì)隔離開(kāi)來(lái)以達(dá)到防腐蝕的目的。利用覆蓋層進(jìn)行保護(hù)，不僅能提高材料的耐蝕性能，而且能節(jié)約大量的貴重金屬和合金。金屬覆蓋層通常通過(guò)電鍍 、熱浸鍍 、化學(xué)鍍 、滲鍍 、真空鍍膜 、熱噴涂 、電化學(xué)及化學(xué)轉(zhuǎn)化膜層等方式形成 。非金屬覆蓋層包括襯里和涂層。襯里主要有玻璃鋼 、橡膠 、磚板襯里等 。防腐蝕領(lǐng)域應(yīng)用的涂料主要有環(huán)氧防腐蝕涂料 、聚氨酯涂料 、含氯防腐蝕涂料 、有機(jī)氟涂料 、富鋅涂料 、玻璃鱗片涂料等。

由于大多數(shù)情況下金屬的腐蝕主要是電化學(xué)腐蝕，是因?yàn)榻饘倥c水接觸后金屬形成陽(yáng)極雜質(zhì)形成陰極，二者電化學(xué)反應(yīng)后固態(tài)金屬變成了金屬離子進(jìn)入水中。因此如果金屬表面沒(méi)有水的存在，也就不會(huì)形成電化學(xué)反應(yīng)，金屬也就得到了保護(hù)。如何使金屬表面不與水接觸成為金屬防腐蝕的重要方向。

如果你觀察過(guò)荷葉，那么你一定會(huì)感慨荷葉出淤泥而不染的奇妙。在雨后荷葉表面殘留有小水珠，這些小水族并不會(huì)潤(rùn)濕荷葉表面，當(dāng)有微風(fēng)吹過(guò)來(lái)，小水珠會(huì)自然滾落，并帶走荷葉表面的灰塵和泥土。

為什么荷葉表面有如此有效的防水特性呢？

這和荷葉表面的結(jié)構(gòu)有關(guān)。

如下圖所示，圖一顯示了荷葉表面的防水特性。圖二是荷葉片的掃描電鏡照片。圖三是高放大倍數(shù)下觀察到的荷葉表面形貌。可以看到荷葉片表面并不是光滑的表面，而是有很多微米級(jí)的突起并且還擁有納米級(jí)的纖毛。這樣當(dāng)水落在荷葉上時(shí)，由于表面張力的作用，會(huì)形成球狀的小水珠。而微納結(jié)構(gòu)會(huì)形成很多的密閉小空間，空氣可以進(jìn)入這些小空間形成小氣室。這些小氣室是微納結(jié)構(gòu)的，相比于毫米級(jí)的小水珠，氣室顯得很小，因此水珠無(wú)法進(jìn)入這些氣室。于是小水珠落在這些氣室的表面，相當(dāng)于水珠與荷葉之間有一層空氣墊。然后，這些纖毛表面覆蓋了一層石蠟，石蠟是一種低表面能疏水結(jié)構(gòu)，進(jìn)一步加強(qiáng)了荷葉表面的疏水能力。這樣在微納米結(jié)構(gòu)和低表面能物質(zhì)的相互配合下荷葉具有超疏水的效果。什么是超疏水呢？如圖四所示，接觸角大于150度即為超疏水，這樣的表面很難被水潤(rùn)濕，也就使得金屬不與水接觸從而限制電化學(xué)反應(yīng)的發(fā)生。

如何人工地去做這些超疏水結(jié)構(gòu)以使得金屬表面不與水接觸？

根據(jù)荷葉的超疏水特性，我們很自然的想到，如果我們?cè)O(shè)計(jì)一種低表面能的涂料并與納米粒子共混，將涂料涂在金屬的表面，這樣金屬表面同時(shí)具有了低表面能和很高的粗糙度，形成超疏水的結(jié)構(gòu)。利用這樣的方案我們?cè)O(shè)計(jì)了這樣的實(shí)驗(yàn)。將在市場(chǎng)上買來(lái)的普通環(huán)氧樹(shù)脂溶解在有機(jī)試劑中加入納米二氧化硅共混。加入光引發(fā)劑后涂在金屬表面，并用紫外光進(jìn)行光固化。最后的金屬涂層與水的接觸角為150度，具備超疏水的要求，使得金屬很難與水接觸，因此限制了金屬的電化學(xué)反應(yīng)。但是，由于表面有極高的粗糙度，因此涂層的耐磨性不佳，在實(shí)際使用時(shí)耐久性較差，因此市場(chǎng)化還有一定的難度。

最近，有公司發(fā)明了一種新型的高耐磨的超疏水涂料。該涂層實(shí)際上是一種叫做“氟化聚氨酯彈性體”的材料與另一種叫做“F-POSS”的拒水分子混合而成。這種涂層非常強(qiáng)韌，可以用于汽車，船體的防腐蝕，即使受到水流的沖擊依然保持很好的超疏水效果。除了耐久性和韌性外，研究人員還發(fā)現(xiàn)，這種涂層在損壞時(shí)可以自行修復(fù)數(shù)百次。

研究人員在最近發(fā)表于ACS Applied Materials & Interfaces的論文中寫道：“即使經(jīng)過(guò)磨損、劃破、燃燒、等離子清潔、紫外線輻射、超聲處理和化學(xué)腐蝕后，該涂層依然可以通過(guò)自修復(fù)保持耐水性。”

因?yàn)榧词鼓骋粎^(qū)域的疏水涂層分子被刮掉，其他分子也會(huì)遷移過(guò)來(lái)填充間隙并且修復(fù)疏水表面結(jié)構(gòu)的完整性。這種新型涂層的防水性能關(guān)鍵在于可以調(diào)整疏水表面的幾何形狀，傳統(tǒng)的防水涂料大多采用微觀柱狀表面，在水滴的下方形成空氣包，從而讓水滴無(wú)法滯留而滾動(dòng)離開(kāi)涂層表面，但這種結(jié)構(gòu)非常脆弱。為此，研究人員通過(guò)增加涂層表面的柔韌性，使其彎曲后不易破裂，從而保證疏水結(jié)構(gòu)可以使用較長(zhǎng)時(shí)間。

英國(guó)倫敦大學(xué)陸遙博士提供了一種解決超疏水涂層強(qiáng)度不足的新思路。

為了在玻璃表面形成超疏水涂層，首先用雙面膠涂在玻璃表面，然后加入疏水涂料，形成類似三明治的結(jié)構(gòu)——玻璃和疏水涂料分別粘結(jié)在雙面膠兩側(cè)。

這樣一來(lái)，表面就變得非常堅(jiān)固，甚至用砂紙交叉摩擦幾十個(gè)來(lái)回，仍然可以保持表面超疏水性。如果需要在金屬表面形成超疏水涂層，只需要用噴涂工藝完成相同的操作即可。在日常生活中，一個(gè)表面通常會(huì)經(jīng)歷刮擦等日常磨損，通過(guò)這種雙面膠的方法，疏水表面會(huì)緊緊粘接在基體表面。無(wú)論是用刀刮，還是用砂紙打磨，都不會(huì)改變?cè)瓉?lái)的疏水效果。

其實(shí)，這個(gè)研究的精髓并不在于把超疏水表面做到多強(qiáng)多耐磨，而是提供了一種思路——將超疏水領(lǐng)域的“脆弱”的弱點(diǎn)交給更加成熟的黏膠技術(shù)去克服。在具體的生產(chǎn)實(shí)踐中，無(wú)論是大到挖掘機(jī)防水，還是小到自家涂墻，都可以根據(jù)需要選擇屬于自己的膠去做“中介”。換言之，膠有多給力，超疏水表面就有多給力。并且，相比于直接噴涂結(jié)實(shí)的超疏水涂層，這種兩步法（膠+涂料）更加安全靈活。

金屬表面的防腐蝕研究已經(jīng)經(jīng)歷了上千年，如何使防腐蝕技術(shù)更有效，更方便，更安全，更環(huán)保已成為科學(xué)家以及各個(gè)企業(yè)思考的問(wèn)題。金屬表面的超疏水處理給了金屬防腐蝕一個(gè)全新的思路，這方面的研究也一直是化學(xué)工作者的研究熱點(diǎn)。相信在不久的將來(lái)，科研工作者會(huì)克服超疏水涂層的缺陷，將超疏水技術(shù)真正工業(yè)化市場(chǎng)化，為人類在金屬防腐蝕領(lǐng)域提供新的解決方案。