超疏水纳秒激光织构铝表面自组装单分子涂层的防冰性能与防腐特性研究

《Surfaces and Interfaces》：Anti-icing performance and anti-corrosive properties of superhydrophobic nanosecond-laser-textured aluminum surfaces with a self-assembled monolayer coating

本研究针对金属表面结冰腐蚀难题，通过纳秒激光织构结合自组装单分子涂层(FDPA)技术，在1050A铝合金表面构建四种超疏水功能化表面。研究证实S-25样品(浅层非规则结构)展现出最佳综合性能：静态接触角>163°、冰核温度低至-20.1°C、延迟冻结时间达944%，同时腐蚀电流密度降至2.0 nA/cm2。该工作为航空、风电等领域提供了兼具防冰与防腐特性的表面工程解决方案。

　　

在航空、风电等领域，金属表面结冰和腐蚀是困扰工程应用的重大难题。传统主动除冰方法能耗高，而常规防腐涂层易失效。近年来，受荷叶效应启发的超疏水表面(SHPS)技术因其被动防冰和防腐双重潜力备受关注，但现有方法在结构稳定性、防冰效率与防腐性能的协同优化方面仍存在瓶颈。

针对这一挑战，来自国外研究机构的研究团队在《Surfaces and Interfaces》发表创新成果。研究人员采用纳秒激光织构结合氟烷基膦酸(FDPA)自组装单分子层(SAM)技术，在1050A铝合金表面构建了四种特征差异化的功能化表面。通过系统比较浅层/深层、规则/不规则结构的性能差异，揭示了表面形貌对防冰-防腐协同效应的调控机制。

研究采用激光参数调控（脉冲宽度45-100 ns，功率18W）、接触角测量（静态>163°，滞后<2°）、冰核温度监测（-20.1°C）、冻结延迟测试（-20°C下延长944%）及电化学分析（0.1 M NaCl溶液）等关键技术，结合SEM和EDS表征表面特性。

【表面形貌与润湿性】
激光织构产生微米级沟槽结构，S-25样品表面粗糙度最低（S_a=1.1 μm）。FTIR证实FDPA通过Al-O-P键牢固结合，形成低表面能（γ_lv）涂层。所有功能化表面均实现超疏水性，经5次冻融循环后接触角保持稳定，证实SAM涂层耐久性。

【防冰性能】
浅层结构表现出显著优势：S-25样品冰核温度最低（-20.1°C），较未处理表面降低8.3K。冻结延迟时间在-15°C/-20°C分别延长468%/944%。研究首次发现D-25样品（深层不规则结构）存在"级联冻结"现象，160ms内引发7个液滴同步冻结，归因于微腔结构促进水蒸气优先凝结。

【机械稳定性】
动态接触角测试显示，浅层结构样品（S-25/S-50）冰粘附强度降低21-60%，而深层结构（D-25/D-50）反而增加33-84%。表明微沟槽深度是影响冰-界面机械互锁的关键因素。

【腐蚀防护】
电化学测试揭示非规则通道表面的优越性：S-25腐蚀电流密度(j_corr)降至2.0 nA/cm²，比参照样降低200倍。宽达400mV的钝化区间(ΔE)证实空气层对Cl^-渗透的阻隔效应，而规则沟槽样品（D-50）防护性能显著减弱。

该研究突破性地证明：浅层微纳结构（而非传统深沟槽）更有利于实现防冰-防腐协同优化。最优的S-25表面通过三重防护机制：1) Cassie-Baxter态减少固-液接触；2) 受限的微腔数量抑制蒸汽凝结；3) FDPA分子定向排列形成致密防腐屏障。这项工作为开发适用于极端环境的多功能金属表面提供了新范式，其采用的纳秒激光加工技术具备工业化推广潜力，在飞机部件、海上平台等场景具有重要应用价值。研究同时指出未来应重点探索亚微米级特征结构的优化设计，以进一步提升表面综合性能。