镁合金表面超疏水膜在耐蚀性能方面的研究进展

陈荣飞 邹忠利

0 引言

镁合金是一种绿色环保型金属合金，被誉为“21 世纪的绿色工程材料”，由于其密度小，比强度高，弹性模量大，散热性能好，减震性好，承受冲击载荷能力比铝合金大等优异的性能而被广泛应用于医学、工业、航空航天和3C 产品中[1]。但镁合金的电极电位低，耐蚀性能差，因此，提高镁合金表面的耐腐蚀性能势在必行。现如今，在镁合金表面已报道的最常见防腐措施是在其表面增加防腐层或使用缓蚀剂等技术。这些技术大多是通过镁合金的表面改性，进而改善其耐蚀性能。另一方面，镁合金之所以发生电化学腐蚀，前提是与腐蚀介质相接触，如果减少其接触面积，理论上势必大大减缓腐蚀的速度。在相界面研究中，超疏水表面已经被广泛研究，人们将接触角大于150°，滚动角小于10°的材料表面为超疏水表面[2]。如果镁合金表面具有超疏水特性，将有效地阻碍基体表面被润湿，避免基体与腐蚀介质直接接触，从而阻碍腐蚀发生。

1 镁合金超疏水表面制备方法

1.1 微弧氧化法

微弧氧化又称等离子体氧化，是在阳极氧化的基础上发展而来的一种技术。微弧氧化主要是通过在高温高压的条件下产生放电现象，在金属表面生成一层陶瓷膜层，该膜层的生长经历了“成膜-击穿-熔化-烧结-再成膜”的多次循环过程[3]。

李杰等[4]通过微弧氧化和低表面能物质修饰制备出镁合金超疏水表面。镁合金微弧氧化处理15 min，在处理后的表面上先涂覆一层环氧树脂溶液，在室温下风干30 min；而后将二氧化硅分散液涂覆于镁合金表面并100℃干燥3 h；再用全氟硅烷进行表现改性得到镁合金超疏水表面。复合膜层表面的接触角最大可达到161°，此复合表面对不同pH 的液滴均具有超疏水性，同时对水滴表现出低粘附性能，动电位极化曲线测试结果表明其耐蚀性提高了2-3 个数量级。

1.2 化学刻蚀法

刻蚀法可以在金属表面直接有效地构建表面粗糙结构，因此被广泛的应用于制备超疏水表面[5]。常见的刻蚀法有光刻蚀法、等离子体刻蚀法和化学刻蚀法。其中化学刻蚀法是通过酸碱的腐蚀在金属表面形成粗糙结构，再经过低表面能修饰后就能获得超疏水表面。金属由于其晶界和位错等位置的自由能都较高，在腐蚀过程中会优先于其他位置腐蚀而形成粗糙结构[6]。Liu 等[7]采用一种简便的仿生方法在镁合金表面制备出牡丹花状微纳米分层结构的超疏水膜层。水滴在该超疏水膜层的静态接触角高达160°，滚动角小于5°，表现出良好的超疏水性能。将该超疏水镁合金暴露于空气中180 天，经测试其表面接触角基本不变，说明其具有良好的防腐蚀性能。

1.3 电沉积法

电化学沉积是指电解液溶液在电场作用下，通过阴阳极发生的氧化还原反应，使得电解液中的离子或阳极经氧化后的离子沉积到阴极表面从而获得所需镀层的方法，金属电沉积法出现的时间较早，因此工艺相对成熟[8]。

Liu 等[9]将镁合金试样先超声处理10 min 后干燥备用，用0.005 mol/L 硝酸铈加入0.2 mol/L 的乙醇溶液中作为电解液，然后将试样作为阴极，铂电极作为阳极在已制备的电解液中进行电化学沉积，获得接触角为159.8°，滚动角达1°的超疏水膜层，通过极化曲线和电化学阻抗谱表明超疏水表面可明显提高镁合金耐蚀性能。该制备方法简单，便捷并且无污染，其对扩展镁合金的应用有很好的前景。

综上，以上几种镁合金表面超疏水膜的制备方法都能够明显提高基体的耐蚀性能，操作工艺流程方面，相对简便的是化学刻蚀法，其他方法如微弧氧化法及电沉积法操作相对复杂；膜层的耐蚀性能方面，微弧氧化法一般相对而言较高，镁合金试样的自腐蚀电流密度能够提高3 个数量级以上；膜层的环保性能与使用的低表面活性物质有关，使用脂肪酸类的低表面活性物质相对于氟树脂环境友好性更佳。

2 结语

超疏水表面有很多优异的性能，特别是对于镁合金材料而言，不仅可以提高镁合金的耐蚀性，还能使镁合金表面具备防水，自清洁等特性，因此该研究极具价值。目前，限制超疏水表面普及的主要原因主要有以下三点：（1）制备的超疏水表面易老化，不耐磨损。（2）制备工艺过于复杂且大多只能在实验室进行制备。（3）制备成本太高，用于超疏水制备的设备昂贵且用于表面改性的物质大多含氟，环境友好性差，极大的增加了制备成本。

镁合金超疏水表面的制备方法已经有很多研究，不再局限于单一的制备方法，已经出现组合式的超疏水制备方式，这对镁合金超疏水的研究进展提供了很多新思路。尽管如此，镁合金超疏水表面的研究依然停留在实验室阶段，耐久性，环保性等问题依旧没能得到有效地解决，限制了其在产业化进程中的进度。如何简化制备工艺，降低制备成本，并加强超疏水表面的抗老化，环境友好性，若这些问题得到高度重视并有效地解决，镁合金超疏水表面将提供巨大的经济效益。