鎂合金表面超疏水膜在耐蝕性能方面的研究進展

陳榮飛 鄒忠利

0 引言

鎂合金是一種綠色環保型金屬合金，被譽為“21 世紀的綠色工程材料”，由于其密度小，比強度高，彈性模量大，散熱性能好，減震性好，承受沖擊載荷能力比鋁合金大等優異的性能而被廣泛應用于醫學、工業、航空航天和3C 產品中[1]。但鎂合金的電極電位低，耐蝕性能差，因此，提高鎂合金表面的耐腐蝕性能勢在必行。現如今，在鎂合金表面已報道的最常見防腐措施是在其表面增加防腐層或使用緩蝕劑等技術。這些技術大多是通過鎂合金的表面改性，進而改善其耐蝕性能。另一方面，鎂合金之所以發生電化學腐蝕，前提是與腐蝕介質相接觸，如果減少其接觸面積，理論上勢必大大減緩腐蝕的速度。在相界面研究中，超疏水表面已經被廣泛研究，人們將接觸角大于150°，滾動角小于10°的材料表面為超疏水表面[2]。如果鎂合金表面具有超疏水特性，將有效地阻礙基體表面被潤濕，避免基體與腐蝕介質直接接觸，從而阻礙腐蝕發生。

1 鎂合金超疏水表面制備方法

1.1 微弧氧化法

微弧氧化又稱等離子體氧化，是在陽極氧化的基礎上發展而來的一種技術。微弧氧化主要是通過在高溫高壓的條件下產生放電現象，在金屬表面生成一層陶瓷膜層，該膜層的生長經歷了“成膜-擊穿-熔化-燒結-再成膜”的多次循環過程[3]。

李杰等[4]通過微弧氧化和低表面能物質修飾制備出鎂合金超疏水表面。鎂合金微弧氧化處理15 min，在處理后的表面上先涂覆一層環氧樹脂溶液，在室溫下風干30 min；而后將二氧化硅分散液涂覆于鎂合金表面并100℃干燥3 h；再用全氟硅烷進行表現改性得到鎂合金超疏水表面。復合膜層表面的接觸角最大可達到161°，此復合表面對不同pH 的液滴均具有超疏水性，同時對水滴表現出低粘附性能，動電位極化曲線測試結果表明其耐蝕性提高了2-3 個數量級。

1.2 化學刻蝕法

刻蝕法可以在金屬表面直接有效地構建表面粗糙結構，因此被廣泛的應用于制備超疏水表面[5]。常見的刻蝕法有光刻蝕法、等離子體刻蝕法和化學刻蝕法。其中化學刻蝕法是通過酸堿的腐蝕在金屬表面形成粗糙結構，再經過低表面能修飾后就能獲得超疏水表面。金屬由于其晶界和位錯等位置的自由能都較高，在腐蝕過程中會優先于其他位置腐蝕而形成粗糙結構[6]。Liu 等[7]采用一種簡便的仿生方法在鎂合金表面制備出牡丹花狀微納米分層結構的超疏水膜層。水滴在該超疏水膜層的靜態接觸角高達160°，滾動角小于5°，表現出良好的超疏水性能。將該超疏水鎂合金暴露于空氣中180 天，經測試其表面接觸角基本不變，說明其具有良好的防腐蝕性能。

1.3 電沉積法

電化學沉積是指電解液溶液在電場作用下，通過陰陽極發生的氧化還原反應，使得電解液中的離子或陽極經氧化后的離子沉積到陰極表面從而獲得所需鍍層的方法，金屬電沉積法出現的時間較早，因此工藝相對成熟[8]。

Liu 等[9]將鎂合金試樣先超聲處理10 min 后干燥備用，用0.005 mol/L 硝酸鈰加入0.2 mol/L 的乙醇溶液中作為電解液，然后將試樣作為陰極，鉑電極作為陽極在已制備的電解液中進行電化學沉積，獲得接觸角為159.8°，滾動角達1°的超疏水膜層，通過極化曲線和電化學阻抗譜表明超疏水表面可明顯提高鎂合金耐蝕性能。該制備方法簡單，便捷并且無污染，其對擴展鎂合金的應用有很好的前景。

綜上，以上幾種鎂合金表面超疏水膜的制備方法都能夠明顯提高基體的耐蝕性能，操作工藝流程方面，相對簡便的是化學刻蝕法，其他方法如微弧氧化法及電沉積法操作相對復雜；膜層的耐蝕性能方面，微弧氧化法一般相對而言較高，鎂合金試樣的自腐蝕電流密度能夠提高3 個數量級以上；膜層的環保性能與使用的低表面活性物質有關，使用脂肪酸類的低表面活性物質相對于氟樹脂環境友好性更佳。

2 結語

超疏水表面有很多優異的性能，特別是對于鎂合金材料而言，不僅可以提高鎂合金的耐蝕性，還能使鎂合金表面具備防水，自清潔等特性，因此該研究極具價值。目前，限制超疏水表面普及的主要原因主要有以下三點：（1）制備的超疏水表面易老化，不耐磨損。（2）制備工藝過于復雜且大多只能在實驗室進行制備。（3）制備成本太高，用于超疏水制備的設備昂貴且用于表面改性的物質大多含氟，環境友好性差，極大的增加了制備成本。

鎂合金超疏水表面的制備方法已經有很多研究，不再局限于單一的制備方法，已經出現組合式的超疏水制備方式，這對鎂合金超疏水的研究進展提供了很多新思路。盡管如此，鎂合金超疏水表面的研究依然停留在實驗室階段，耐久性，環保性等問題依舊沒能得到有效地解決，限制了其在產業化進程中的進度。如何簡化制備工藝，降低制備成本，并加強超疏水表面的抗老化，環境友好性，若這些問題得到高度重視并有效地解決，鎂合金超疏水表面將提供巨大的經濟效益。