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前沿 | 仿生涂層技術提升鎂合金耐蝕功能的科研進展

2017-10-25 10:24:08 作者：本網整理來源：國際仿生工程學會分享至：

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

常溫腐蝕的發生通常與鎂合金直接接觸腐蝕液所致。疏水仿生涂層可達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控離子液體與鎂合金之間的固/液界面反應，在低共熔溶劑型類離子液體中構筑微納結構耐蝕轉化膜的技術途徑。經疏水化改性之后，涂層具有超疏水功能，并達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”引發固/液界面反應，達到調控鎂合金轉化膜結構的目的。圖1為鎂合金基體經不同時間離子熱處理后的表面及接觸角測量結果。相關成果發表在Corrosion Sci. 2016, 106C, 108。

圖1 AZ31鎂合金基底（a）及離子熱反應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接觸角。

當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態，會逐漸被液相置換，即潤濕性由Cassie state轉為Wenzel state，此時的涂層僅能為基體提供物理防護功能。針對如何使疏水涂層在發生潤濕性轉變后仍能保持較高耐蝕性這一難題，浙大谷長棟團隊設計出了“具有自愈合功能的超疏水涂層”，將其應用于鎂合金的表面防護（圖2）。實現這種智能涂層設計，首先要在鎂合金基體上制備一層具有自愈合功能的轉化膜，再對其表面進行超疏水改性。NaCl溶液中的浸泡實驗表明，機械劃傷樣品最初表現為超疏水狀態，隨后氣囊層消失，進入Wenzel潤濕態，腐蝕液接觸涂層表面后激發涂層的自愈合功能，表面劃痕愈合（圖3）。相關成果發表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 帶劃痕的轉化膜在模擬腐蝕液中的自愈合現象。

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