工程化PDMS/石蜡固态滑移表面用于优异耐腐蚀性

《Journal of Materials Research and Technology》：Engineering PDMS/Paraffin Solid Slippery Surfaces for Superior Corrosion Resistance

　　

本研究考察了具有不同聚二甲基硅氧烷（PDMS）/石蜡体积比的固态滑移表面（Solid Slippery Surface, SSS），以解决海洋大气环境中Q235钢由冷凝液滴诱发的腐蚀问题。研究人员通过润湿性测试、水雾冷凝实验、电化学测量及COMSOL模拟评估液滴动力学与腐蚀防护性能。结果表明，提高PDMS比例可降低滑动角并促进液滴脱离；高PDMS比例（9:1）样品在冷凝条件下及时 shedding 液滴，缩短表面停留时间并降低腐蚀风险，而低PDMS比例样品呈现持续润湿，不利于防腐。电化学测试显示较高PDMS比例降低腐蚀电流密度并提高阻抗模量与电荷转移电阻，9:1样品性能最优。COMSOL模拟证实高PDMS比例样品具有更小有效电化学暴露面积、更强界面屏蔽与更短液滴停留时间。综上，调控PDMS/石蜡体积比有效增强固态滑移表面耐蚀性，为严苛海洋环境防护涂层提供策略。

研究背景方面，腐蚀在航空航天、海洋工程、石化与交通等领域普遍存在，威胁金属材料长期服役。Q235碳钢因成本低、力学性能好而广用，但耐蚀差，在湿热盐雾下易退化。超疏水表面与润滑注入多孔表面（SLIPS）虽能降黏滞，但液态SLIPS存在润滑剂耗散与耐久不足。固态滑移表面将固体润滑相（石蜡、硅油衍生物）稳定嵌入粗糙结构，兼顾低黏附与结构稳定，然而PDMS/石蜡体积比如何系统影响润湿、冷凝液滴动力学与电化学腐蚀响应仍缺乏认知，故研究人员开展本工作。

主要关键技术方法上，研究人员以Q235钢为基材，先电沉积锥状镍层再经氟硅烷（FAS）改性获超疏水镍涂层（SNC），旋涂不同PDMS/石蜡体积比凝胶得SSS。表征采用场发射扫描电镜（FE-SEM）与能谱（EDS）、X射线衍射（XRD）；润湿用接触角仪测静态接触角与滑动角；液滴动力学在水雾腔观察脱落时间；电化学在3.5 wt% NaCl中以三电极体系做Tafel与电化学阻抗谱（EIS），等效电路R(QR)(QR)拟合；加速腐蚀按ASTM B117盐雾；COMSOL引入由EIS双电层电容反演的面积修正系数Φ_s修正边界。样本为同批Q235钢电镀镍改性后分组涂覆。

研究结果中，3.1节表征与润湿显示SNC呈金字塔微纳结构、镍质量分数93.36%、XRD证镍相；FAS改性后接触角153°，灌注PDMS/石蜡后9:1样品表观接触角103.9°、滑动角4.5°，5:5达19°；水雾下9:1液滴脱落快、4小时集水量高，因高PDMS比例涂层连续削弱钉扎。3.2节电化学测试表明随PDMS升高，Nyquist弧半径增大，9:1样品I_corr为1.293×10^-9 A·cm^-2，R_ct达3.162×10⁷ Ω·cm²，Q_f与Q_dl最低，初始屏障优。3.3节盐雾24小时后，9:1仍保持I_corr=1.038×10^-8 A·cm^-2、R_ct=6.857×10⁶ Ω·cm²，为5:5的13.7倍；接触角均>130°，SEM/EDS见9:1镍含量96.93%、铁渗出最少，XRD无腐蚀产物峰，高PDMS组结构稳。3.4节COMSOL中Φ_s从5:5的0.1311降至9:1的0.0086，局部电流密度最小，证有效电化学暴露面积小、界面屏蔽强。

讨论与结论部分，研究人员指出调PDMS/石蜡比即调表面能、涂层连续性与液滴钉扎：高PDMS促连续滑移层、降滑动角、缩液滴停留、减Φ_s，从而抑氯离子局域电化学接触。翻译结论四条为：(1)调PDMS/石蜡体积比有效调控SSS润湿与液滴滑动，PDMS增则滑动角减、脱离易；(2)高PDMS比在冷凝中促液滴及时脱落、减表面滞留、降腐蚀介质长时攻击风险，低PDMS比致局部持久润湿不利防腐；(3)盐雾与电化学示PDMS比增则I_corr降、阻抗模量与R_ct升，9:1 PDMS/石蜡样品耐蚀最优；(4)COMSOL与实验一致，高PDMS比样品有效电化学暴露面积更小、界面屏蔽更强、液滴停留更短，共同贡献优防腐。该文发表于《Journal of Materials Research and Technology》，作者Xingjun Liu、Jiang Guo、Jing Shi、Wenling Ding、Xiaoyang Xu、Di Liu、Baojian Hu、Tengfei Xiang（武汉大学动力与机械学院），为海洋环境高性能固态滑移防护涂层组分设计提供理论实验依据。