原文出自 Metals 期刊：

Liu, C.; Sun, J.; Wu, G. Effect of Superhydrophobic Surface on Corrosion Resistance of Magnesium-Neodymium Alloy in Artificial Hand Sweat. Metals 2023, 13, 219.  https://doi.org/10.3390/met13020219

文章导读

镁合金密度低、比强度高、具有在生理环境中自然降解的特点，因而在航空航天、交通运输、民用建筑、生物医学等领域备受关注。但是，由于镁元素的高化学活性和大多数镁合金的天然表面膜疏松多孔，镁及镁合金在水溶液中的耐蚀性较差，严重阻碍了它们的更广泛应用。在实际工程应用中，控制镁合金的腐蚀速率至关重要。表面处理一直被认为是提高镁合金耐蚀性能的主要策略，电化学镀、微弧氧化、喷涂、气相沉积等相关技术都被应用在镁合金上做过尝试。

近年来，Metals 期刊编委、河海大学吴国松教授等提出了“以蚀抗蚀”的技术构想，即在镁合金服役前通过预腐蚀来构筑防护屏障，并与合作者一起成功研发了几种简易有效的镁合金腐蚀防护工艺。如在水热环境下对 AZ80 镁合金进行预腐蚀，获得了由致密内层和层片状顶层构成的复合防护膜层。又如，在 50 ℃ 的磷酸二氢钾溶液中预腐蚀可使镁钕合金表面形成一层致密均匀的 MgHPO₄·3H₂O 膜层。在此基础上，河海大学吴国松教授团队将相关研究成果发表在 Metals 期刊上。作者们将超疏水特性和超声波技术与预腐蚀策略相结合，在镁钕合金上成功地构筑了超疏水表面，并研究了其对镁钕合金在模拟手汗中耐蚀性能的影响，探讨了相关的腐蚀机理。

实验方法

作者在超声辅助条件下将镁钕合金浸入磷酸二氢钾溶液进行腐蚀，其后再利用 PFDS (1H,1H,2H,2H-全氟癸基三乙氧基硅烷) 对其表面进行化学修饰。图 1 分别显示了超疏水涂层的制备过程、超声辅助水浴腐蚀过程中温度和 pH 值的演变和处理前后样品的宏观形貌。完成样品制备后，利用 SEM 观察涂层的表面和截面形貌，利用 X 射线衍射 (XRD) 考察处理前后样品的物相组成，采用 X 射线光电子能谱 (XPS) 测试 PFDS 修饰后表面的元素组成和化学状态，利用接触角测量仪测量样品的静态水接触角和滑动角，采用液滴滚落实验评价样品的自清洁能力，通过在模拟手汗溶液中的电化学测量和浸泡试验考察样品的耐蚀性能。

图 1. (a) 超疏水表面制备过程示意图；(b) 制备过程中温度和 pH 值的演变；(c) 处理前和处理后样品的宏观表面形貌

结果与讨论

作者对实验所得涂层的表面形貌、成分和物相组成进行了表征。图 2 显示了原始样品和经磷酸二氢钾溶液均匀腐蚀处理的样品的 XRD 图。镁钕合金由基相 (Mg) 和第二相 (Mg₁₂Nd) 组成，经对比分析知新形成的涂层为 MgHPO₄·3H₂O。图 3 和图 4 显示了 PFDS 改性后涂覆样品的表面形貌、截面形貌及相应的 EDS 元素分布图。图 5 显示了经 PDFS 改性后涂覆样品的 XPS 谱图，从氟元素和硅元素的存在可知涂层表面已被 PFDS 成功修饰。

图 2. 未处理样品和经均匀腐蚀处理的样品的 XRD 图谱

图 3. (a, b) PFDS 改性后涂层样品表面形貌的 SEM 图像；(c, d) PFDS 改性后涂层样品截面形貌的 SEM 图像

图 4. PFDS 改性后涂层样品横截面的 EDS 图：(a) 选定区域的 SEM 图像，(b~e) 主要元素的分布图

图 5. 经 PFDS 修饰后涂层表面的 XPS 谱图：(a) 全谱和 (b) C 1s、(c) F 1s 和 (d) Si 2p 的高分辨率谱图

作者进一步研究了超疏水涂层样品的润湿性和自清洁能力。由图 6 和图 7 所示可知，修饰后涂层样品表面具有较好的自清洁能力。

图 6. (a) 样品的宏观润湿性；(b) 样品的静态水接触角；(c) 疏水样品的滑动角

图 7. (a) 样品自清洁能力的测试过程；(b) 实验示意图

作者通过在模拟手汗溶液中的电化学测量和模拟手汗浸泡试验评估了样品的腐蚀行为。图 8、图 9、图 10 展示了动电位极化测试、阻抗谱测试和浸泡腐蚀实验的结果。

图 8. (a) 浸泡 1 小时后样品的极化曲线；(b) 根据极化曲线计算所得的 Ecorr 和 Icorr

图 9. 浸泡 1 小时后样品的 EIS 图谱：(a) 波特图：阻抗随频率的变化曲线；(b) 波特图：相角随频率的变化曲线；(c) 奈奎斯特图；(d) 等效电路模型

图 10. 浸泡 24 小时后样品的表面宏观形态和 SEM 图像

图 11a 和图 11b 为涂层的形成示意图。图 11c 显示了涂层的超疏水模型示意图。图 11d 示出了在模拟手汗中基于超疏水行为的涂层抗蚀机制。若将样品浸入模拟手汗溶液，其表面的微尺度粗糙结构中极可能会形成气托，进而减少样品与外部腐蚀介质的实际接触面积。

图 11. (a, b) 涂层形成示意图；(c) 镁钕合金上的超疏水表面；(d) 在模拟手汗溶液中的耐蚀机理

研究总结

本研究结合超声辅助浸泡工艺和低能表面化学修饰，在镁钕合金上成功制备了超疏水涂层。在浸泡过程中镁钕合金通过自身的均匀腐蚀形成了一层粗糙但致密的 MgHPO4·3H2O 膜层，再结合后继的低能表面化学修饰使镁钕合金表面获得了超疏水特性，展现出优异的自清洁效果。电化学测试和浸泡实验结果表明：具有超疏水表面的镁钕合金在模拟手汗中比其他样品具有更好的耐蚀性，即本研究为镁钕合金的腐蚀防护提供了一个简单有效的新策略。

Metals 期刊介绍

主编：Hugo F. Lopez, University of Wisconsin-Milwaukee, USA; Yong Zhang, University of Science and Technology Beijing, China

期刊发表涵盖金属材料和冶金工程领域研究以及科技发展研究领域在内的学术文章。

2022 Impact Factor：2.9

2022 CiteScore：4.4

Time to First Decision：16.7 Days

Time to Publication：38 Days

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