多尺度结构复合涂层赋予高强度铝合金在多种恶劣环境中持久的适应能力

《Surface and Coatings Technology》：Multiscale-structured composite coating endows high-strength aluminum alloy with durable adaptability to diverse harsh environments

　　

摘要

高强度铝合金在恶劣环境中往往性能下降、使用寿命缩短，因此开发环境适应性涂层以提升合金的长期服役性能势在必行。本研究在7075高强度铝合金上原位制备了一种环境适应性涂层，以促进合金在恶劣环境中的耐久性。所制备涂层具有由纳米颗粒组成基体与稻叶状微突起构成的多尺度微观结构，以及由锆和铝的氟化物、（氢）氧化物和硬脂酸盐组成的多组分组成。该涂层展现出优异的超疏水性（接触角为159.4°）和低黏附性（滚动角约为1°），在空气相和油相中均表现出良好的自清洁功能。重要的是，所制备涂层对多种恶劣环境展现出卓越的适应性，包括广泛的化学介质（酸、盐和碱）、热介质（沸水和250 °C气氛）和腐蚀介质（模拟海水和酸性工业气氛）。特别是，即使在250 °C高温下暴露48小时或在腐蚀性海水/大气中暴露60天后，涂层仍能保持其超疏水性和低黏附性，其性能优于大多数已报道的结果，证明了其具有实际应用价值。这种持久环境适应性可归因于涂层原位形成的坚固多尺度微观结构和多组分组成，二者协同作用，保证了7075铝合金抵抗周围恶劣介质的能力。本工作不仅为高强度铝合金在恶劣环境中的长期运行提供了一种策略，也为开发用于极端环境中金属材料的先进复合涂层提供了思路。

引言

高强度铝合金因其出色的比强度和良好的加工性能而在众多领域得到广泛应用[1]，[2]，[3]。然而，合金化成分使合金在各种恶劣环境（如多种化学介质、热介质和腐蚀介质）中极易发生严重退化，导致力学性能下降和使用寿命缩短[4]，[5]。因此，有效提高高强度铝合金的环境适应性对其实际应用至关重要。

包括阳极氧化[6]，[7]、微弧氧化[8]，[9]、化学转化[10]，[11]、超疏水涂层[12]，[13]，[14]，[15]，[16]，[17]，[18]，[19]，[20]，[21]等涂层技术作为高强度铝合金的高效保护策略，在增强其环境适应性方面发挥着重要作用。其中，超疏水涂层因其独特的微/纳米结构和低表面能组分而具有独特的表面润湿性，能够排斥周围介质中的水和可溶性污染物，备受关注。特别是，具有低黏附性的超疏水涂层能够阻碍周围介质的滞留，展现出高度的环境适应潜力[16]，[17]，[18]，[19]。然而，超疏水涂层暴露在恶劣的化学、热和腐蚀环境中容易导致涂层的微/纳米结构和低表面能组分退化，损害其超疏水性和低黏附性，进而降低环境适应性[16]，[20]，[21]。因此，精心设计超疏水涂层的微/纳米结构和组成以维持其在各种恶劣环境中的坚固性，对于实现涂层的持久超疏水性和低黏附性从而维持其环境适应性至关重要。

本文精心设计并在7075铝合金上原位制备了一种坚固涂层，该涂层具有由纳米颗粒组成基体与稻叶状微突起构成的多尺度微观结构以及由锆和铝的氟化物、（氢）氧化物和硬脂酸盐组成的多组分组成，展现出持久的超疏水性和低黏附性，使高强度铝合金能够可持续地适应各种恶劣环境。得益于多尺度微观结构和多组分组成，该涂层展现出优异的超疏水性（接触角为159.4°）和极低的黏附性（滚动角约为1°），同时在空气相和油相中表现出良好的自清洁功能。此外，该涂层对多种化学介质、热介质和腐蚀介质展现出卓越的环境适应性。即使在250 °C高温下暴露48小时或在腐蚀性环境（模拟海水或酸性工业气氛）中暴露60天后，涂层仍能保持其超疏水性和低黏附性，其性能优于大多数已报道的结果，证明了其具有实际应用价值。

分节摘要

材料与化学品

选用7075铝合金（融创金属有限公司，中国东莞）作为代表性高强度铝合金，其成分符合标准（质量分数：5.1–6.1 Zn，2.1–2.9 Mg，1.2–2.0 Cu，0.18–0.28 Cr，余量Al），加工成20 mm × 10 mm × 2.5 mm/4.0 mm的试样。包括硫酸锆（Zr(SO₄)₂·4H₂O）、乙醇（C₂H₅OH）、硫酸（H₂SO₄）等化学品购自国药试剂有限公司（中国上海）。其他化学品如氟化钾（KF·H₂

涂层表征结果

图S1a和b分别展示了7075铝合金基体和预处理样品的表面形貌，两者均表现出表面平整，仅有轻微划痕。厚度约为3.7 μm的涂层（图S2）通过化学转化、BW封孔和C₁₈H₃₆O₂修饰等一系列工艺制备而成。低倍场发射扫描电子显微镜（FE-SEM）图像（图1a、d和g）显示，涂层的水稻叶片状微突起在表面上均匀分布。高倍图像（

结论

本工作制备了一种环境适应性涂层，赋予高强度铝合金对各种恶劣环境的持久适应性。主要结论如下：

• (1)
  涂层通过化学转化、封孔和修饰三个主要步骤制备，其特征是由纳米颗粒组成基体与稻叶状微突起构成的多尺度微观结构以及由锆和铝的氟化物、（氢）氧化物和硬脂酸盐组成的多组分组成。
• (2)

CRediT作者贡献声明

Zebing Peng：写作——初稿，可视化，调查，形式分析。Lin Hu：方法论，调查，数据整理。Huiling Hu：验证，调查。Jinglei Lei：写作——审稿和编辑。Lingjie Li：写作——审稿和编辑，资源，项目管理，资金获取，概念化。

利益冲突声明

作者声明，他们没有任何已知的可能影响本文所报告工作的竞争性经济利益或个人关系。

致谢

本工作得到了国家自然科学基金（22272012、22372016）、重庆市研究生科研创新基金（CYB25051）和重庆大学大型设备共享基金的支持。

Zebing Peng|Lin Hu|Huiling Hu|Jinglei Lei|Lingjie Li

重庆大学化学化工学院，中国重庆，400044