黄铜表面微纳分级结构超疏水涂层的制备及其抗结冰、耐腐蚀与润湿性能研究

本研究针对寒冷及工业环境中表面结冰导致的效率下降与能耗增加问题，通过水热法和浸渍法在黄铜基底上构建微纳分级结构超疏水涂层，优化了刻蚀时间、尿素/氯化铜摩尔比等参数。最佳样品静态接触角(SCA)达163.4°，冰层附着剪切应力降低至88.93 kPa，冻结延迟时间延长至1748 s，同时腐蚀电流密度降至?4.44 A·cm?2 ，为航空、海洋装备的防冰防腐提供了可持续解决方案。

　　

在极地勘探、风力发电和航空运输等领域，金属表面结冰会引发设备故障甚至灾难性事故。传统电热融冰法能耗高，而化学除冰剂又污染环境。黄铜因其优异的导电导热性广泛应用于热交换器和船舶部件，但其表面易结冰且易受海水腐蚀。更棘手的是，黄铜中的锌元素在腐蚀环境中会发生选择性溶出（dezincification），加速材料失效。如何通过绿色方法赋予黄铜表面“荷叶效应”，成为研究者攻坚的方向。

为解决这一难题，研究人员通过水热法（hydrothermal）和浸渍法（immersion）在黄铜表面构建微米-纳米分级粗糙结构，并用硬脂酸（stearic acid）修饰降低表面能。采用田口实验设计法（Taguchi）优化了刻蚀时间、尿素/氯化铜摩尔比等参数。通过场发射扫描电镜（FE-SEM）、X射线衍射（XRD）等表征手段证实了Cu₂
O/CuO复合结构的形成，其珊瑚状微观形貌可有效截留空气层。

关键实验技术
研究采用水热反应釜合成微纳结构，通过接触角测量仪评估润湿性，电化学工作站测试腐蚀电流密度，自制剪切装置量化冰层附着力。黄铜基材（65 wt% Cu）经HF和HCl刻蚀后，分别采用铜氯前驱体溶液水热反应（180°C）和室温浸渍法成膜，最后用0.1 mol/L硬脂酸乙醇溶液修饰。

Results and discussion

1. 水热法最优样品（刻蚀30 min、尿素/CuCl₂
   摩尔比4:1、反应12 h）静态接触角达163.4°，动态接触角滞后仅2.7°，而原始黄铜表面接触角仅78°。ATR-FTIR证实硬脂酸羧基（-COOH）与铜氧化物形成化学键合。
2. 抗结冰测试显示，水热法样品水滴冻结时间（1748 s）是原始黄铜（21.6 s）的80倍，归因于微纳结构中空气层的绝热效应。冰层剪切应力从240.4 kPa降至88.93 kPa，符合Cassie-Baxter润湿模型预测。
3. 动电位极化曲线表明，水热法样品腐蚀电流密度（?4.44 A·cm^?2
   ）较原始黄铜（?3.5 A·cm^?2
   ）降低26.7%，归功于超疏水表面阻碍电解液渗透。

Conclusion
该研究开创性地将水热法与浸渍法结合，在黄铜表面构建出具有双重功能的微纳涂层：其分级粗糙结构通过空气垫效应延迟结冰，而硬脂酸修饰层则协同提升耐蚀性。特别值得注意的是，水热法合成的Cu₂
O八面体与CuO球晶复合结构，比单纯浸渍法样品表现出更优异的综合性能。这项成果为开发无能耗防冰涂层提供了新思路，尤其适用于船舶甲板、输电线路等需长期暴露在恶劣环境中的金属设施。

研究同时发现，过长的刻蚀时间会导致纳米结构坍塌，反而降低疏水性，这为后续工艺优化指明了方向。未来或可通过掺杂ZnO等宽带隙半导体，进一步提升涂层的环境稳定性。该论文发表于《Applied Surface Science》，其方法论对铝合金、镁合金等轻量化材料的表面改性也具有重要借鉴意义。