通过电沉积方法制备的超疏水、耐磨的MoS?/肉豆蔻酸钙复合涂层，用于表面防护

《Surface and Coatings Technology》：Electrodeposited superhydrophobic and wear-resistant MoS 2/calcium myristate composite coatings for surface protection

　　

摘要

传统的防护涂层通常机械耐用性不足，界面粘附力薄弱，这使得它们在使用过程中容易开裂、磨损和剥落，从而降低了防护性能。为了解决这个问题，本研究采用电沉积方法在304L不锈钢表面制备了一种基于MoS?的多功能润滑涂层。MoS?纳米片通过水热法合成，并与Ca2?和月桂酸（MA）共沉积形成MoS?/Ca-MA复合涂层。摩擦学测试表明，该涂层显著降低了摩擦系数并提高了耐磨性，在长时间摩擦过程中保持了稳定的减摩效果。值得注意的是，在水中浸泡30天后，涂层仍保持了稳定的摩擦系数（0.2001），未出现明显的性能下降，显示出在水环境中的良好摩擦稳定性。电化学测试结果显示，该涂层具有高电化学阻抗，在3.5 wt% NaCl溶液中表现出有效的屏障性能，显著提升了耐腐蚀性。此外，该涂层还具有超疏水特性（接触角>150°）。即使经过摩擦和腐蚀作用，涂层仍能保持高接触角，说明其微纳结构部分得以保留，从而继续提供界面保护。通过构建基于MoS?的复合结构，本研究实现了减摩、耐磨、耐腐蚀和超疏水性的协同优化，为复杂摩擦-腐蚀环境中金属表面的长期稳定保护提供了有效策略。

引言

金属部件在服役过程中容易发生磨损和腐蚀，导致材料性能下降，严重影响设备的使用寿命和运行可靠性[1]、[2]、[3]。涂覆防护涂层是改善金属材料表面性能的最常见和最有效的技术方法之一，因为它能有效隔离金属部件与腐蚀介质的接触，同时减少摩擦和磨损[1]。然而，传统的防护涂层通常耐磨性和机械稳定性不足，在摩擦作用下容易磨损、开裂和剥落，导致防护性能迅速下降[4]。因此，开发兼具优异耐磨性和耐腐蚀性的多功能防护涂层已成为表面工程领域的研究重点。近年来，将具有固体润滑性能的功能材料结合到防护涂层中已成为提高其耐磨性和耐用性的有效策略。在各种固体润滑剂中，二硫化钼（MoS?）具有层状晶体结构，层间剪切强度极低，从而具有出色的减摩和耐磨性能[5]。然而，MoS?在复杂环境中的性能会受到限制，因为暴露于 moisture、氧气和腐蚀介质会导致氧化和结构降解，降低其润滑和耐腐蚀性，增加磨损[6]、[7]。

为了克服MoS?在复杂环境中的局限性，研究人员对基于MoS?的涂层进行了大量改进，以提高其耐磨性和耐腐蚀性。Ravi等人[8]报告称，将MoS?嵌入环氧基质中可显著降低摩擦和磨损，同时提高耐腐蚀性。类似地，Xia等人[9]使用多巴胺（PDA）修改了材料表面，进一步改善了其分散性和界面相容性，从而显著提高了涂层的耐腐蚀性和结合强度。近年来，创建超疏水表面被视为提高防护涂层环境稳定性和耐腐蚀性的有效策略。通过制造微纳级粗糙表面并引入低表面能材料，可以显著减小固液接触面积，在固液界面形成稳定的空气层，有效阻止水分和腐蚀介质的渗透，从而进一步提高涂层的防护性能[10]、[11]。在众多低表面能材料中，长链脂肪酸因成本低、环保以及易于与金属离子形成稳定的金属皂结构而受到广泛关注。其中，月桂酸（MA）可与Ca2?原位形成稳定的钙月桂酸酯（Ca-MA）层，为开发无氟超疏水防护涂层提供了新方法。此外，电沉积技术具有工艺简单[12]、成本低[13]、沉积效率高[14]、易于控制涂层组成和微观结构[15]等优点，已成为制备超疏水复合涂层的重要方法。Ren等人[16]通过液相电沉积制备了Zn/MoS?-LA超疏水涂层，表现出优异的机械稳定性和耐磨性。Wang等人[17]进一步证明，CaCl?-月桂酸-MXene复合涂层具有出色的摩擦稳定性和耐腐蚀性，证明了将有机金属皂与二维功能材料结合的可行性。这些研究表明，结合低表面能和润滑成分可以有效开发高性能防护涂层，而多功能涂层设计正朝着提高耐腐蚀性、耐磨性和表面功能性的方向发展。受天然润湿结构的启发，仿生超疏水涂层具有层级粗糙结构和低表面能修饰，能够增强表面保护和环境稳定性[18]。此外，现有研究表明，最佳的材料组成设计和涂层结构的先进控制是提高整体防护性能的关键。例如，通过组成优化和微观结构控制，CrAlSiN涂层和高熵AlCrTiZr涂层在机械性能、耐腐蚀性和摩擦性能方面实现了协同提升[19]、[20]。同时，使用功能性填料和低表面能成分构建的无氟超疏水复合涂层，以及利用天然模板制备的超疏水涂层，表现出优异的拒液、自清洁和多功能防护性能[21]、[22]。这些研究表明，功能性材料、层级结构和界面修饰在开发多功能防护涂层方面具有潜力。然而，基于MoS?的超疏水涂层主要针对其超疏水性和耐腐蚀性进行了评估，对其在摩擦条件下的摩擦行为关注较少。

本研究中，采用电沉积方法在304L不锈钢表面制备了MoS?/Ca-MA复合涂层。利用MoS?的固体润滑性能以及Ca2?和月桂酸提供的低表面能调控，设计出了具有减摩、耐磨、耐腐蚀和超疏水特性的多功能防护涂层。该涂层在摩擦过程中保持较低的摩擦系数和良好的耐磨性，同时在盐水中表现出高电化学阻抗和优异的耐腐蚀性。此外，该涂层具有超疏水特性，并在经历摩擦和腐蚀后仍能在一定程度上保持界面功能。研究发现表明，这种复合涂层提供了多种防护功能，包括减摩、耐腐蚀和超疏水性，为多功能防护涂层的设计提供了新的见解。

章节片段

实验部分

关于实验部分的详细信息见支持信息文本。

MoS?/Ca-MA涂层的电沉积

图1(a)展示了使用钼酸钠和硫代乙酰胺作为前驱体通过水热法合成MoS?纳米片的整体工艺流程。在水热反应过程中，首先形成含钼的初始晶体核，随后进行晶体生长和自组装过程，最终得到MoS?纳米片[23]、[24]。

图1(b)展示了在304L不锈钢基底上电沉积MoS?/Ca-MA涂层的过程。

结论

本研究成功制备了一种MoS?/Ca-MA复合涂层，有效提升了304L不锈钢在磨损和腐蚀条件下的性能。该涂层通过电沉积方法制备，在摩擦过程中表现出良好的稳定性，摩擦系数约为0.14，并在3小时长时间滑动条件下具有优异的耐磨性。特别是在润滑油润滑条件下，这种减摩效果更为明显。

CRediT作者贡献声明

Zinyu Zhang：撰写——初稿撰写、验证、方法论设计、概念构建。 Xiaohua Jia：撰写——审稿与编辑、项目管理、研究实施、资金获取。 Mingyue Wang：撰写——审稿与编辑、数据可视化、方法论设计。 Jin Yang：项目管理、资金获取。 Haojie Song：数据可视化、资金获取、概念构建。

利益冲突声明

作者声明没有已知的利益冲突或个人关系可能影响本文的研究结果。

致谢

本研究得到了国家自然科学基金（项目编号：52473334）、陕西高校青年创新团队（项目编号：24JP027、25JP019）以及陕西省自然科学基金（项目编号：2026JC-QYCX-046）的支持。