仿生超滑表面与磁流体发电协同驱动的自供能海洋防腐系统研究

针对海洋工程中传统防腐技术能源供给受限及磁流体发电固/液粘附导致能量损耗的难题，研究人员创新性地将仿生超滑表面(SLIPS)与磁流体发电结合，通过激光织构构建微纳结构并注入润滑液，制备接触角>150°、滑动角<3°的超低粘附表面，显著减少磁流体残留。该系统利用波浪驱动磁流体运动实现持续发电，为阴极保护提供稳定电流，使金属腐蚀速率降低50%以上，为海洋能源利用与材料防护提供了新思路。

　　

海洋环境的高盐、高湿特性使金属腐蚀成为制约海洋工程寿命的关键因素。传统阴极保护技术依赖外部电源，而波浪能等可再生能源的利用又面临能量转换效率低的瓶颈。更棘手的是，磁流体发电(MHD)过程中，磁性纳米颗粒与基底的固/液粘附会导致能量损耗和系统失效。如何通过材料表面改性实现高效能量捕获与防腐协同，成为亟待突破的科学难题。

中国国家自然科学基金资助项目(51905082)支持下，研究人员提出颠覆性解决方案：受自然界荷叶效应启发，将仿生超滑表面(Slippery Liquid-Infused Porous Surfaces, SLIPS)与磁流体发电系统集成。通过纳秒激光在铝基体上构建分级微纳沟槽结构，注入润滑液后形成接触角>150°、滑动角<3°的超低粘附表面。这种表面遵循Cassie-Baxter模型，其微结构能有效锁住润滑剂形成连续油膜，使磁流体在25mT磁场中运动阻力降低80%以上。

关键技术包括：(1)激光参数优化：通过扫描间距、速度和处理次数调控微结构形貌；(2)磁流体运动分析：采用高速摄像记录波浪模拟环境中流体动力学行为；(3)电化学测试：通过极化曲线和阻抗谱评估Q235钢在3.5% NaCl溶液中的防腐效果。

主要研究结果

1. 超滑表面制备与表征
   激光织构形成的分级结构使表面接触角达158.2°±2.1°，对磁流体的残留量(RA)仅为常规表面的1/5。XPS分析显示表面化学修饰使表面能降低至8.9 mN/m。

2. 发电性能优化
   在200 μL磁流体、5 Hz波浪频率下，系统输出60 mV开路电压，功率密度达3.2 μW/cm²，较传统系统提升4倍。磁流体浓度监测表明超滑表面使纳米颗粒损失率降低至0.8%/h。

3. 防腐效能验证
   耦合阴极保护系统后，Q235钢腐蚀电流密度从1.76 μA/cm²降至0.82 μA/cm²，阻抗模值提升2个数量级。长期浸泡实验显示腐蚀速率降低53.4%。

结论与展望
该研究首次实现SLIPS技术与磁流体发电的协同创新：超滑表面的低粘附特性解决了磁流体运动能耗问题，而波浪驱动的持续发电则为阴极保护提供绿色能源。这种自供能防腐系统在海洋浮标、钻井平台等场景具有应用潜力，为海洋装备延寿和新能源开发提供新范式。未来研究可拓展至不同金属基底的表面织构设计，以及极端海洋环境下的系统稳定性验证。

（注：论文发表于《Surface and Coatings Technology》，作者包括Li Zhang、Jinghan Liu等）