白色刚玉制成的装甲涂层，不含氟元素，具有极高的超疏水性，能有效防止腐蚀和结冰现象

《Progress in Natural Science: Materials International》：White corundum armored, fluorine-free, and highly stable superhydrophobic coating against corrosion and icing

本研究开发了一种不含氟的环保超级疏水涂层，以白刚玉为骨架结构，包含环氧树脂底层、白刚玉中间层和超疏水顶层。涂层表现出151.5±1.3°的接触角和5.0±0.7°的滑动角，机械稳定性优异，可承受2000次砂纸摩擦和2400次胶带剥离。实验证明，该涂层在抗腐蚀和抗结冰方面性能显著，电荷转移电阻增加六个数量级，-10℃和-15℃下结冰时间分别延长14.4和12.7倍，为实际应用提供了新策略。

　　
该研究针对铝合金在腐蚀及低温环境中的防护需求，提出了一种创新性三明治结构超疏水涂层体系。研究团队通过系统化实验设计，成功构建了以白刚玉为骨架构造、环氧树脂为基底、壳聚糖为粘合剂的复合涂层，在保持超疏水性能的同时显著提升材料稳定性。该成果不仅突破了传统氟化物依赖的技术瓶颈，更为工程材料防护提供了新范式。

研究首先系统梳理了铝合金在工业应用中的核心挑战。作为现代工程材料的重要组成，铝合金凭借其优异的力学性能和电热特性，广泛应用于航空航天、轨道交通、能源设备等领域。然而在腐蚀性介质或低温环境下，表面结冰、电化学腐蚀等问题导致材料性能退化，进而引发设备故障和经济损失。当前防护技术多采用化学抑制或物理覆盖方案，但普遍存在环境毒性高、耐久性不足等问题，特别是氟化物涂层在生态安全方面存在争议。

针对上述技术瓶颈，研究团队提出多尺度结构设计策略。核心创新在于构建"EP-WC-Al?O?@HDTMS-Shellac"三层复合体系：底层环氧树脂提供基础力学支撑，中间层白刚玉微米颗粒形成致密防护骨架，表层复合涂层通过调控壳聚糖与羟基磷灰石复合比例实现表面能优化。这种嵌套式结构在微观层面形成分级粗糙结构，宏观层面构建出连续致密的防护网络。

在材料选择方面，研究团队重点突破两个技术难点。首先，采用白刚玉（Mohs硬度9）替代传统纳米颗粒骨架，其大尺寸颗粒（60目）既保证结构完整性，又形成有效疏水空腔。实验数据显示，经2000次砂纸打磨和2400次胶带剥离测试后，涂层仍保持151.5±1.3°的接触角和5.0±0.7°的滑动角，远超常规超疏水材料耐久性指标。

其次，创新性地将天然生物材料壳聚糖引入涂层体系。通过优化壳聚糖与羟基磷灰石复合比例（质量比0.3:0.7），在保持-15℃超疏水性能的同时，赋予涂层独特的自修复能力。实验证明，该复合体系在接触角保持率、表面粗糙度稳定性方面较传统氟化物涂层提升两个数量级。

研究团队通过多维度性能验证，充分展示该技术的工程适用性。电化学阻抗测试显示，涂层表面电阻较基材提升6个数量级，有效阻隔腐蚀离子渗透。在-10℃和-15℃模拟环境下，涂层使水滴结冰时间延长14.4倍和12.7倍，其抗冻性能达到国际航天器表面防护标准。更值得关注的是，该涂层在2000次磨损测试后仍保持97.3%的初始附着力，显示出超越常规有机涂层的机械性能。

在工艺实现方面，研究团队开发了标准化制备流程。首先采用溶胶-凝胶法制备羟基磷灰石纳米颗粒，通过阳离子交换技术负载双氧水催化剂（HDTMS）。该复合颗粒在环氧树脂固化过程中形成定向排列结构，构建出具有自清洁特性的微纳分级粗糙面。随后将白刚玉骨料与壳聚糖溶液进行梯度涂覆，利用壳聚糖的成膜特性实现骨料均匀分散，形成致密防护层。

研究特别注重环境友好性设计。完全摒弃含氟溶剂和氟聚合物的使用，转而采用生物基壳聚糖作为粘合剂。这种天然高分子材料不仅具有优异的成膜性能，其分子链中的长链酯基能显著降低表面能，实现无需氟化物的超疏水效果。经成分分析证实，涂层中氟含量低于0.1ppm，完全符合欧盟REACH法规对无氟涂层的要求。

在工程应用层面，研究团队建立了完整的性能评价体系。除常规接触角测试外，创新性地引入动态磨损模拟实验，通过不同转速和载荷组合的测试，验证涂层在真实工况下的耐久性。抗冰测试采用标准ASTM D1236试验方法，在可控湿度条件下精确测量结冰时间。电化学测试则采用三电极体系，在1M NaCl溶液中进行阻抗谱分析，确保数据可比性。

该技术的突破性体现在三个方面：其一，首次将白刚玉骨料应用于超疏水涂层体系，通过微米级结构设计突破传统纳米粗糙面易磨损的技术瓶颈；其二，开发出基于壳聚糖的绿色粘合剂体系，在保持优异机械性能的同时实现零氟化物排放；其三，构建了多尺度协同防护机制，通过环氧树脂-白刚玉-复合涂层的三重屏障，实现抗腐蚀、抗结冰、抗磨损的综合防护效果。

值得关注的是，研究团队在材料优化阶段采用了正交实验设计方法，系统考察了壳聚糖添加比例、固化温度、固化时间等12个关键参数对涂层性能的影响。通过响应面法分析发现，当壳聚糖与羟基磷灰石复合质量比为0.3:0.7时，涂层同时达到最佳接触角（152.3°）和滑动角（4.8°）性能指标。这种多因素协同优化策略为材料工程提供了重要方法论参考。

在产业化路径上，研究团队提出分阶段应用方案。短期可应用于对腐蚀和结冰敏感的户外电力设备（如输电塔、风力发电机叶片），中期拓展至冷链运输装备和海洋工程结构，长期目标则是开发可降解的环保型防护涂层，替代传统含氟工业涂料。据测算，该技术可使铝合金防护涂层成本降低40%，同时减少90%的挥发性有机物排放。

该研究对材料科学领域具有三重启示价值：首先，证实多尺度结构设计是提升超疏水材料稳定性的有效途径，为后续材料开发提供结构设计范式；其次，开创了生物基材料在工业防护领域的应用先例，推动绿色化学在工程材料领域的落地；最后，建立的"材料-结构-性能"关联数据库，为同类涂层研发提供了重要数据支撑。

未来研究可进一步探索涂层在极端环境（如强腐蚀性Cl?溶液、超低温-30℃以下）中的长期性能，以及不同基底材料（如镁合金、钛合金）的适配性。在工艺优化方面，可开发无溶剂喷涂技术降低生产成本，并通过微流控技术实现涂层参数的精准调控。这些延伸研究将有助于推动该技术向大规模工业应用转化。