前沿 | 仿生涂层技术提升镁合金耐蚀功能的科研进展

2017-10-25 10:24:08 作者：本网整理来源：国际仿生工程学会分享至：

能源与环境是人类生存的必要条件。社会倡导节能减排，要求工程材料轻量化。镁合金具有密度小、比强度高等性能优势，已被广泛应用于电子器件、生物材料、交通工具和航空航天等领域。但镁具有较高的化学活性，镁合金表面很难形成有钝化作用的保护膜，因此耐蚀性差。如何提高镁合金耐蚀性是拓展镁合金应用面临的瓶颈难题。针对此问题，国际仿生工程学会会员浙江大学谷长栋副教授团队近期开展了仿生技术对镁合金表面功能拓展的应用研究。

常温腐蚀的发生通常与镁合金直接接触腐蚀液所致。疏水仿生涂层可达到阻挡金属基体与腐蚀液直接接触的目的，因此镁合金表面的耐腐蚀处理通常采用疏水涂层工艺。浙大谷长栋团队提出通过调控离子液体与镁合金之间的固/液界面反应，在低共熔溶剂型类离子液体中构筑微纳结构耐蚀转化膜的技术途径。经疏水化改性之后，涂层具有超疏水功能，并达到延缓镁合金基体腐蚀的目的。该方法利用了镁合金在离子液体中的惰性，借助“热”引发固/液界面反应，达到调控镁合金转化膜结构的目的。图1为镁合金基体经不同时间离子热处理后的表面及接触角测量结果。相关成果发表在Corrosion Sci. 2016, 106C, 108。

图1 AZ31镁合金基底（a）及离子热反应1 h（b）、2 h（c）和3 h（d）后的样品表面，插图为硬脂酸改性后的静态接触角。

当超疏水涂层浸于腐蚀液中时，涂层与腐蚀液间的空气层处于亚稳态，会逐渐被液相置换，即润湿性由Cassie state转为Wenzel state，此时的涂层仅能为基体提供物理防护功能。针对如何使疏水涂层在发生润湿性转变后仍能保持较高耐蚀性这一难题，浙大谷长栋团队设计出了“具有自愈合功能的超疏水涂层”，将其应用于镁合金的表面防护（图2）。实现这种智能涂层设计，首先要在镁合金基体上制备一层具有自愈合功能的转化膜，再对其表面进行超疏水改性。NaCl溶液中的浸泡实验表明，机械划伤样品最初表现为超疏水状态，随后气囊层消失，进入Wenzel润湿态，腐蚀液接触涂层表面后激发涂层的自愈合功能，表面划痕愈合（图3）。相关成果发表Adv. Mater. Interf. 2016, 3 （14）， 1500694。

图2 自愈合功能的超疏水涂层的耐腐蚀机制。

图3 带划痕的转化膜在模拟腐蚀液中的自愈合现象。

将仿生涂层设计与多重防护机制结合，为镁合金腐蚀防护提供了新思路。受仿生科研人员对猪笼草缘口区液滴超滑特性研究成果的启发，浙大谷长栋研究团队首次在镁合金表面构筑了具有多层结构、超滑特性的转化膜体系。底层较致密，与基体结合牢固，起物理防护功能；表层由纳米片织构组成，改性后可吸附与水不互溶的润滑油（图4），构成超润滑表面（slipperyliquid infused porous surface, SLIPS），赋予镁合金疏水功能。SLIPS转化膜涂层与超疏水（Superhydrophobic）涂层相比，表现出更显著和更持久的耐腐蚀性和防结冰功效。相关成果发表在ACS Appl. Mater. Interfaces, 2017, 9 （12）， 11247。