1420 Al-Li合金激光诱导的超疏水表面：栅格与网格图案之间的耐腐蚀性对比

《Journal of Materials Research and Technology》：Laser-induced superhydrophobic surface of 1420 Al-Li alloy: corrosion resistance comparison between grating and grid patterns

基于增强金属表面超疏水性的抗腐蚀策略，采用激光蚀刻在1420 Al-Li合金表面制备了grating（各向异性）和grid（各向同性）两种超疏水结构。通过电化学阻抗谱和极化曲线分析发现，grating表面具有更高的自腐蚀电位（-0.622V）和更低的腐蚀电流密度（0.457×10^-7 A/cm2），其电荷转移电阻（2252Ω·cm2）约为grid表面（1372Ω·cm2）的1.6倍，表明连续线性微结构能更稳定维持空气屏障，显著提升抗腐蚀性能。研究为超疏水表面在铝合金防腐中的应用提供了结构优化依据。

　　铝锂合金因其轻质、高强度等特性，广泛应用于航空航天和国防工业中。然而，由于锂元素的高活性，这类合金在海洋等腐蚀性环境中容易发生腐蚀，影响其实际应用效果。因此，提高铝锂合金的耐腐蚀性能成为研究的重点。本文通过激光刻蚀技术制备了两种具有不同表面结构的超疏水表面——具有各向异性结构的条纹（grating）表面和具有各向同性结构的网格（grid）表面，并对它们的耐腐蚀性能进行了系统研究。研究发现，两种超疏水表面均形成了针状纳米结构，随着表面液滴体积的增加，接触角逐渐减小，滚动角增加，最终导致液滴在表面固定。其中，网格表面比条纹表面更早出现液滴固定现象。电化学测试进一步验证了超疏水表面的耐腐蚀性能提升。实验结果显示，网格表面的自腐蚀电位从裸露的铝锂合金（-0.851V）提升至-0.644V，而条纹表面则提升至-0.622V。同时，腐蚀电流密度显著下降，网格表面从0.316 A/cm2降至0.575×10?? A/cm2，条纹表面降至0.457×10?? A/cm2。此外，条纹表面表现出更大的阻抗半径，其电荷转移电阻（Rct）也比网格表面高，进一步表明其在耐腐蚀性能上具有优势。

### 表面结构与腐蚀性能的关系

为了进一步理解不同表面结构对腐蚀性能的影响，研究还探讨了液滴在不同结构表面的行为。液滴在超疏水表面的接触角和滚动角变化反映了其与表面之间的相互作用。随着液滴体积的增加，网格表面的接触角下降速度更快，滚动角也更显著地增加，这表明液滴更容易在网格表面固定。相比之下，条纹表面虽然初始接触角略低，但在液滴体积增加时，其接触角的下降速度较慢，滚动角的增加也相对平缓，显示出更均匀的空气捕获分布。这种结构上的差异直接影响了液滴在表面的稳定性，进而影响了腐蚀介质的接触面积和渗透能力。实验中通过扫描电子显微镜（SEM）观察了液滴在不同表面结构下的形态变化，发现网格表面在受到外力作用时，空气层更容易被压缩和破坏，导致液滴快速渗透到表面结构的沟槽中。而条纹表面由于其连续的线性沟槽结构，能够更有效地维持空气层的稳定性，从而减少液滴的渗透。

### 表面处理工艺与性能提升

本文采用激光刻蚀结合化学修饰的方法制备超疏水表面，这一过程包括三个主要步骤：预处理、激光刻蚀和后处理。在预处理阶段，样品通过砂纸打磨和超声波清洗去除表面杂质和氧化层，确保表面干净。激光刻蚀是关键步骤，通过调节激光参数，如波长、扫描速度、功率、频率和扫描间距，形成特定的表面结构。条纹表面和网格表面的刻蚀程序有所不同，条纹表面通过沿X方向扫描10次形成，而网格表面则通过沿Y方向扫描8次和X方向扫描6次的组合方式制备。后处理阶段包括超声波清洗和烘干，最后在70°C下浸泡于硬脂酸溶液中进行表面修饰。这种处理方式不仅提高了表面的疏水性，还增强了其耐腐蚀能力。

### 机械与化学稳定性分析

为了评估超疏水表面的机械和化学稳定性，研究还进行了多种测试。例如，通过胶带剥离测试和砂纸摩擦测试，考察了表面在机械应力下的表现。结果表明，网格表面在胶带剥离测试中能承受至少50次操作，而条纹表面则能承受40次。这可能与网格表面更大的表面积和更多的硬脂酸修饰有关。然而，在砂纸摩擦测试中，条纹表面表现出更高的耐磨性，能承受至少40次摩擦，这可能与其结构的均匀性和机械强度有关。化学稳定性测试则评估了表面在不同pH值溶液中的表现，结果显示，两种超疏水表面在pH值为5-9的溶液中仍能保持其超疏水特性，但在pH值为3或11的强酸或强碱溶液中，其超疏水性能显著下降。这是由于铝锂合金在极端pH值环境中会发生化学反应，破坏表面结构。而热稳定性测试则表明，当温度超过200°C时，硬脂酸会分解，导致表面疏水性降低。

### 电化学性能测试

电化学测试是评估材料耐腐蚀性能的重要手段，本文采用了动电位极化曲线和电化学阻抗谱（EIS）进行分析。测试结果表明，超疏水表面能够显著提高铝锂合金的耐腐蚀性能。具体来说，条纹表面的电荷转移电阻（Rct）比网格表面更高，约为1372Ω·cm2（网格表面）至2252Ω·cm2（条纹表面），这表明条纹表面具有更强的电化学屏障作用。此外，条纹表面的自腐蚀电位也更高，显示出更强的耐腐蚀能力。动电位极化曲线和EIS测试还揭示了液滴在不同表面结构下的行为差异。例如，网格表面在电化学测试后表现出更多的腐蚀产物和裂纹，而条纹表面的纳米结构则基本保持完整，进一步证明其在耐腐蚀性能上的优势。

### 超疏水表面的结构优化

本文还通过对比不同表面结构的电化学性能，探讨了如何优化超疏水表面以提高其耐腐蚀能力。研究发现，条纹表面由于其连续的线性沟槽结构，能够更有效地维持空气层的稳定性，从而减少腐蚀介质的渗透。而网格表面虽然具有更高的初始疏水性，但其结构的不连续性导致空气层更容易被破坏，进而影响其耐腐蚀性能。因此，优化表面结构是提高铝锂合金耐腐蚀性能的关键。此外，通过等效电路模型分析了电化学阻抗谱的结果，发现条纹表面的电荷转移电阻（Rct）和空气膜电阻（Rf）均高于网格表面，进一步证明其在电化学腐蚀中的优势。

### 应用前景与研究意义

本研究不仅验证了激光刻蚀技术在制备超疏水表面方面的有效性，还为铝锂合金的耐腐蚀表面设计提供了新的思路。通过比较不同表面结构的耐腐蚀性能，研究者可以更好地理解表面结构与腐蚀行为之间的关系，从而为实际应用提供指导。此外，超疏水表面在航空航天和海洋工程等领域的应用前景广阔，特别是在需要轻量化和高耐腐蚀性的场景中。未来的研究可以进一步探索不同表面结构对多种腐蚀环境的适应性，以及如何通过优化表面处理工艺来提高其长期稳定性和耐久性。这将有助于推动铝锂合金在更广泛领域的应用，提高其在复杂环境下的使用寿命和可靠性。