综述：具有增强防腐蚀和防/除冰性能的 Mg(OH)2 纳米花超疏水涂层

《Sustainable Materials and Technologies》：Superhydrophobic coatings with Mg(OH) 2 nanoflower for enhanced anti-corrosion and anti-/deicing performances

　　

摘要

铝合金因其高比强度和优异的可加工性，被广泛应用于海洋工程。然而，在恶劣的海洋环境中，铝合金容易遭受腐蚀，导致过早失效和维护成本增加。为了缓解暴露在严重海洋条件下的铝合金的腐蚀，本研究在铝基体上开发了一种超疏水复合涂层（SHB/Al）。通过化学溶液沉积随后进行低表面能改性，实现了 Mg(OH)₂ 纳米花阵列在铝基体上的直接生长，建立了超疏水结构。电化学分析表明，SHB/Al 涂层实现了 2.75 × 10^?7 A·cm^?2 的腐蚀电流密度（I_corr）和 3.04 × 10⁵ Ω·cm² 的电荷转移电阻（R_ct）。与裸铝相比，I_corr 降低了两个数量级，而 R_ct 显著增加了三个数量级。此外，分子动力学（MD）模拟表明，超疏水涂层 SHB/Al 显著降低了相关离子的扩散系数。同时，系统的自由体积分数（FFV）从 14.37% 显著降低至 6.22%。该涂层表现出优异的自清洁性能、长期稳定性和防冰性能。这种多功能涂层为海洋工程应用中铝合金的防腐和防冰保护提供了一种新方法。

引言

铝合金因其轻量化关键部件而在海洋和近海工程中越来越受到青睐。这些应用包括上层建筑、直升机甲板、海水管道、泵和阀体以及换热器系统。其广泛使用可归因于几项关键特性 [1], [2]。随着近岸和深海服务环境变得日益恶劣，其特点包括高氯离子浓度、溶解氧波动、温度 - 盐度循环、紫外线辐射以及交替的酸碱侵蚀。包括阳极氧化 [3]、化学镀 [4]、牺牲阳极 [5] 和缓蚀剂 [6] 在内的传统保护策略存在显著局限性。这些局限性包括长期性能不足、极端酸碱耐受性差以及抗微动 - 腐蚀耦合条件不足。保护屏障容易发生局部失效，诱发点蚀、缝隙腐蚀和剥落腐蚀，直接危及设备的结构完整性和运行可靠性 [7]。因此，在强酸、强碱和高盐的协同环境中，构建具有化学惰性和自愈潜力的铝基超疏水复合涂层已成为战略研究方向。目标是克服海洋轻质合金长期防腐的技术瓶颈，旨在实现极端服役条件下的免维护应用。通过协同利用微纳分层粗糙结构的空气垫效应，这些涂层在基体表面形成致密、连续且可动态重构的保护屏障。该屏障有效阻碍了氯离子和酸碱介质等腐蚀剂的渗透，显著减轻了电偶腐蚀和缝隙腐蚀。因此，这一技术方法增强了关键铝部件的耐久性，并降低了生命周期维护成本 [8]。

受自然超疏水界面启发，结合仿生微纳分层设计与低表面能涂层的复合方法在海洋防腐领域迅速进步 [9]。在极端海洋腐蚀环境中，这些涂层对典型海洋工程金属如不锈钢 [10]、铜合金 [11]、镁合金 [12] 和钛合金 [13] 显示出优异的保护性能。它们通过阻挡氯离子、氧气和酸碱介质的侵入，有效抑制了电偶腐蚀和缝隙腐蚀的发生和扩展。Liu 等人通过简单的喷涂工艺创建了一种掺氟二氧化硅/环氧树脂超疏水涂层，表现出优异的耐腐蚀性。结合波浪能驱动摩擦纳米发电机，该系统在海洋环境中通过“屏障保护和自供能阴极保护”实现双重防腐保护 [14]。Hassan 等人通过蚀刻、浸渍、喷涂和退火，使用银纳米粒子作为框架在铜合金表面构建了坚固的有机超疏水涂层。微纳结构有效捕获空气袋，形成阻挡腐蚀离子的屏障，增强了涂层的长期耐腐蚀性和自愈性能 [15]。Wang 等人使用一步水热法直接在 Mg-9Li 合金表面制备了基于硬脂酸的超疏水涂层。微纳结构球形花捕获空气层，防止氯离子和氧气的渗透，而低表面能成分均匀分布在涂层厚度中 [16]。Lai 等人在 TC11 合金上原位创建了多孔陶瓷过渡层，随后使用氟化二氧化硅纳米粒子和环氧树脂的复合浆料生产了一种高附着力超疏水涂层。这种微陶瓷结构结合低表面能纳米粒子，有效阻碍了氯离子的渗透，与裸基体相比显著提高了耐腐蚀性 [17]。之前的研究已经建立了多种制备超疏水防腐蚀表面的方法，如微弧氧化 [18]、喷涂 [19]、激光熔覆 [20]、电化学沉积 [21] 和溶胶 - 凝胶相分离 [22]。相反，本研究旨在建立一种新颖、简单且成本效益高的超疏水涂层方案，同时提高稳定性和耐久性。

通过化学溶液沉积随后进行氟硅烷改性，在铝基体上成功制备了一种具有稳定 Cassie-Baxter 状态的超疏水 Mg(OH)₂ 涂层。实验结果表明，涂层的水接触角（CA）为 155.2°。在 3.5 wt% 氯化钠溶液中进行的电化学测试显示 I_corr 降低了两个数量级，R_ct 为 3.04 × 10⁵ Ω·cm²，腐蚀保护效率为 98.30%。MD 模拟表明，氟化涂层显著降低了钠离子和氯离子的扩散系数。

章节摘要

实验材料

Al 片 10 mm × 15 mm × 2 mm 购自中国昆山广佳园新材料有限公司。硫酸镁 (MgSO?)、1H,1H,2H,2H-全氟癸基三乙氧基硅烷 (FAS)、氯化钠 (NaCl)、丙酮 (CH₃COCH₃)、乙醇 (C₂H₅OH)、氨水 (NH_3·H₂O) 和盐酸 (HCl) 均购自北京伊诺凯科技有限公司。所有试剂均为分析纯。

基体制备

为了确保标准化和高活性的表面以实现均匀成核，试样被

结果与讨论

Mg(OH)₂/Al 是通过水热合成制备的。预处理后的 Al 浸入含有添加氨的 MgSO₄ 溶液中，在 40 °C 的水浴中加热 30 min，然后额外搅拌 1 h 以促进 Mg(OH)₂ 纳米花的原位生长。所得样品在 90 °C 和 0.1 MPa 的真空干燥器中与 FAS 改性 3 h，冷却后得到超疏水 SHB/Al (图 1a)。

Al、Mg(OH)₂/Al 和 SHB/Al 样品的微观结构是

结论

总之，通过化学溶液沉积结合 FAS 改性，在 Al 上制备了一种具有稳健 Cassie-Baxter 状态的高度稳定 SHB/Al。电化学测试证实了其优异的耐腐蚀性。此外，MD 模拟表明，分层 Mg(OH)₂ 纳米花和 FAS 网络将系统的 FFV 从 14.37% 降低至 6.22%。这种结构致密化有效限制了腐蚀性物质（Na⁺, Cl^?）的扩散，赋予涂层

CRediT 作者贡献声明

裴文乐: 写作 – 审阅与编辑，监督，资金获取，概念化。 刘少恒: 形式分析，写作 – 初稿。 杨宏硕: 形式分析。 严航: 形式分析。

竞争利益声明

作者声明，他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能影响本论文报告中工作的客观性。

致谢

太原科技大学 博士基金 (20222030)。

裴文乐 | 刘少恒 | 杨宏硕 | 严航

太原科技大学，先进不锈钢国家重点实验室，太原 030024，中国