镁合金多功能复合涂层的创新突破：兼具耐腐蚀、导电与抗菌性能

《Journal of Magnesium and Alloys》：Preparation of multifunctional composite coating on magnesium alloys with corrosion resistance, conductivity and antibacterial properties

本刊推荐：为解决传统镁合金微弧氧化(MAO)涂层导电性差及功能单一的问题，研究人员开展了在EW75镁合金上制备MAO基复合涂层（含导电石墨粉和银铜(Ag/Cu)合金粉）的研究。结果表明，复合涂层显著提升了耐腐蚀性（MAO-Ag/Cu最佳）、导电性（MAO-Ag/Cu表面电阻率最低至0.0420 Ω·cm）及疏水性和抗菌性。该研究为镁合金在航空航天、电子通信及生物医学等高技术领域的应用提供了高性能涂层解决方案。

　　

镁合金因其轻质、高比强度等优点，在航空航天、汽车工业和电子产品领域备受青睐。然而，其高化学反应活性和较差的耐磨性，尤其是在极端环境下的应用，成为了制约其广泛使用的“阿喀琉斯之踵”。为了给镁合金穿上“防护服”，微弧氧化(Micro-arc oxidation, MAO)技术应运而生。MAO能在镁合金表面形成一层致密的陶瓷质氧化膜，显著提升其耐腐蚀和耐磨性能。但正所谓“有一利必有一弊”，这层保护膜虽然坚固，却是不良导体，其糟糕的导电性极大地限制了镁合金在需要良好电学性能的高端领域，如航空航天电子设备、通信传感器等的应用。因此，如何在不牺牲MAO涂层优异防护性能的前提下，赋予其良好的导电性，并进一步集成抗菌、疏水等多功能特性，成为了研究人员亟待攻克的技术难题。

针对上述挑战，发表在《Journal of Magnesium and Alloys》上的这项研究，提出了一种创新的解决方案：在EW75镁合金的MAO涂层基础上，通过喷涂含有导电填料（导电石墨粉和/或银铜(Ag/Cu)合金粉）的有机涂层，构建多功能复合涂层体系，旨在实现耐腐蚀、导电、抗菌及疏水性能的协同增强。

为开展此项研究，研究人员主要运用了几项关键技术方法：首先，采用微弧氧化(MAO)技术在EW75镁合金表面制备基础陶瓷层；其次，通过喷涂工艺，在MAO涂层上构建了三种不同的有机复合涂层，分别含有导电石墨粉(MAO-C)、导电石墨粉与银铜合金粉混合物(MAO-C-Ag/Cu)以及仅含银铜合金粉(MAO-Ag/Cu)；在表征方面，综合利用了扫描电子显微镜(SEM)观察微观形貌，X射线衍射仪(XRD)分析物相组成，电化学工作站（包括开路电位(OCP)、电化学阻抗谱(EIS)和动电位极化曲线测试）评估腐蚀行为，四探针法测量表面电阻率，接触角测量仪评估疏水性，并依据国家标准进行了防霉抗菌测试。

3.1. 涂层表面形貌和截面厚度

通过SEM观察发现，MAO涂层表面相对光滑，孔隙较少且小。添加导电石墨粉后(MAO-C)，涂层表面变得粗糙，孔隙增多且形态不规则。当进一步加入银铜合金粉(MAO-C-Ag/Cu)或仅使用银铜合金粉(MAO-Ag/Cu)时，涂层表面出现大片状或块状结构，孔隙更大，粗糙度进一步增加。截面厚度测量显示，MAO涂层厚度约为2.9 ± 0.5 μm，而三种复合涂层的厚度均显著增加，分别达到13.4 ± 2.5 μm (MAO-C)、13.3 ± 2.5 μm (MAO-C-Ag/Cu)和12.5 ± 2.5 μm (MAO-Ag/Cu)。结合强度测试表明所有涂层与基体结合良好，达到0级标准。EDS分析证实了ZnO纳米颗粒、导电石墨粉以及银铜合金粉的成功引入且在涂层中分布均匀。

3.2. 表面粗糙度和水接触角测试

激光共聚焦显微镜和粗糙度测试表明，经过MAO处理后，基体的表面粗糙度从0.816 μm显著降低至0.369 μm。而复合涂层的粗糙度则大幅增加，MAO-C涂层最高（3.519 μm），MAO-C-Ag/Cu次之（3.214 μm），MAO-Ag/Cu相对较低（2.744 μm）。水接触角测试结果显示，基体和MAO涂层亲水（接触角小）。MAO-C涂层虽然粗糙度高，但接触角仅为82.3°，疏水性改善有限。而含有银铜合金粉的MAO-C-Ag/Cu和MAO-Ag/Cu涂层则表现出显著的疏水性，接触角分别达到134.5°和124.8°，这归因于银铜合金的引入不仅优化了微观结构，还可能引入了有利于降低表面能的化学基团。

3.3. XRD测试

XRD图谱显示，MAO涂层中主要存在ZnO的衍射峰。在MAO-C涂层中出现了石墨(C)的衍射峰。在MAO-C-Ag/Cu和MAO-Ag/Cu涂层的图谱中，除了ZnO和C的峰外，还清晰地出现了银(Ag)和铜(Cu)的特征衍射峰，证实了银铜合金的成功掺入。

3.4. 电化学测试

开路电位(OCP)测试表明，复合涂层的开路电位均比基体和MAO涂层正移，其中MAO-Ag/Cu涂层的电位最正，预示其最好的腐蚀倾向。电化学阻抗谱(EIS)拟合参数显示，复合涂层的电荷转移电阻(R_ct)远高于基体和MAO涂层，MAO-Ag/Cu涂层的R_ct值最大（6.668 × 10⁸ Ω cm²），表明其腐蚀阻力最强。动电位极化曲线测试表明，复合涂层的自腐蚀电流密度(i_corr)显著低于基体和MAO涂层，自腐蚀电位(E_corr)则正移。其中，MAO-Ag/Cu涂层的i_corr最低（1.0165 × 10^-10 A/cm²），E_corr最高（-0.1293 V），表现出最优异的耐腐蚀性能。研究指出，底层的MAO涂层作为绝缘层，有效阻隔了表层导电颗粒（如Ag/Cu）与镁基体之间形成电偶腐蚀的可能。

3.5. SKPFM测试

扫描开尔文探针力显微镜(SKPFM)测试用于分析表面电势分布。结果显示，添加导电填料后，涂层表面电势分布变得更为复杂，局部电势差增大。然而，SKPFM结果并未显示出严重的局部电偶腐蚀迹象，表明多组分复合涂层体系在提高导电性的同时，较好地抑制了局部腐蚀。

3.6. 涂层表面电阻率

四探针法测量表面电阻率表明，MAO-C涂层的电阻率最高（1134.44 Ω·cm），MAO-C-Ag/Cu涂层次之（0.2098 Ω·cm），而MAO-Ag/Cu涂层的电阻率最低（0.0420 Ω·cm）。灯泡点亮实验直观地验证了导电性的差异：MAO-C涂层无法点亮灯泡，MAO-C-Ag/Cu涂层能点亮但亮度较低，而MAO-Ag/Cu涂层则能使灯泡明亮发光，证明了其优异的导电性。

3.7. 防霉性能测试

根据国家标准GB/T1741–2020进行的防霉测试显示，未涂覆的EW75基体表面霉菌生长严重。所有复合涂层均表现出强大的抗霉菌性能，其中含有银铜合金粉和/或ZnO的涂层效果尤为显著，这归功于银(Ag⁺)、铜(Cu²⁺)和锌(Zn²⁺)等金属离子的抗菌作用以及导电石墨可能对微生物电荷平衡的干扰。

3.8. 涂层性能机理分析

文章最后对涂层的耐腐蚀机理、导电机理和抗菌机理进行了总结。耐腐蚀性得益于MAO层和有机层的物理屏障作用、ZnO的致密化效应、银铜合金改善的电化学稳定性以及涂层的疏水性。导电性则源于导电填料（特别是银铜合金粉）形成的连续导电网络。抗菌作用主要通过释放的金属离子（Zn²⁺, Ag⁺, Cu²⁺）破坏细菌细胞结构和代谢实现。

综上所述，本研究成功地在EW75镁合金上开发了一系列基于MAO的多功能复合涂层。研究结果表明，特别是MAO-Ag/Cu复合涂层，综合性能最为突出，其耐腐蚀性最佳，表面电阻率极低（展现出优良的导电性），同时具备显著的疏水性和强大的抗菌防霉能力。这项工作通过巧妙的材料组合和结构设计，成功突破了传统MAO涂层导电性差的瓶颈，实现了多种性能的协同提升，为拓宽镁合金在高端技术领域的应用提供了重要的技术途径和理论支撑。这种兼具优异防护、导电及生物防护功能的新型涂层，在苛刻环境下的电子设备、航空航天部件以及生物医学器件等领域具有广阔的应用前景。