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合金基体超疏水表面：制备工艺、性能调控与应用前景

一、引言

1.1研究背景与意义

在材料科学与工程领域，表面的润湿性对材料的性能和应用有着至关重要的影响。超疏水表面，作为一种具有特殊润湿性的表面，其水接触角大于150°，滚动角小于10°，展现出独特的性能，在众多领域具有广泛的应用前景，近年来吸引了大量科研工作者的关注。

合金材料因其具有高强度、良好的加工性能和优异的综合性能，被广泛应用于航空航天、汽车制造、海洋工程、电子设备等众多领域。然而，在实际应用中，合金材料常常面临各种复杂的环境，如潮湿的空气、腐蚀性的液体等，这些环境因素容易导致合金表面发生腐蚀、污染等问题，从而影响合金材料的性能和使用寿命。例如，在海洋工程中，船舶的金属甲板长期暴露在海水中，海水的高盐度和潮湿环境会加速金属的腐蚀，不仅增加了维护成本，还可能影响船舶的航行安全；在汽车制造中，车身表面容易受到雨水、灰尘和各种污染物的侵蚀，影响汽车的外观和耐久性。

将超疏水表面制备技术应用于合金基体，能够赋予合金材料优异的防腐蚀、自清洁、抗污染等性能。超疏水表面的特殊微观结构和低表面能特性，使得水滴在其表面难以附着，从而有效减少了水与合金基体的接触，降低了腐蚀的发生概率。同时，当水滴在超疏水表面滚动时，能够带走表面的灰尘和污垢，实现自清洁功能，保持合金表面的清洁和美观。此外，超疏水表面还能减少污染物在合金表面的吸附，提高合金的抗污染能力，延长其使用寿命。

在航空航天领域，超疏水表面可应用于飞机机翼、机身等部件，减少雨水和冰霜的附着，降低飞行阻力，提高飞行安全性和燃油效率；在海洋工程中，超疏水表面可用于船舶外壳、海洋平台等，防止海水腐蚀和海洋生物附着，降低维护成本，延长设备使用寿命；在汽车制造领域，超疏水表面可应用于车身、车窗等部位，使汽车表面具有自清洁功能，减少清洗次数，提高汽车的外观质量和耐久性；在电子设备领域，超疏水表面可用于手机、电脑等电子产品的外壳和屏幕，防止水分和灰尘进入，保护电子元件，提高设备的可靠性和使用寿命。

综上所述，合金基体上超疏水表面的制备及疏水性研究具有重要的理论意义和实际应用价值。通过深入研究超疏水表面的制备方法、结构与性能关系以及疏水性的影响因素，可以为超疏水表面的设计和制备提供理论指导，推动超疏水表面技术的发展和应用。同时，超疏水表面在合金材料上的应用，能够解决合金在实际使用中面临的诸多问题，提高合金材料的性能和使用寿命，满足不同领域对高性能材料的需求，具有广阔的市场前景和巨大的经济价值。

1.2国内外研究现状

超疏水表面的研究在国内外都受到了广泛关注，众多科研人员致力于探索超疏水表面的制备方法、性能优化以及在不同领域的应用。在合金基体上制备超疏水表面，既能充分发挥合金材料的优良性能，又能赋予其超疏水特性，具有重要的研究价值和应用前景。

国外在超疏水表面研究领域起步较早，取得了一系列具有影响力的成果。例如，美国的科研团队通过化学气相沉积法在铝合金表面制备了具有纳米级粗糙度的超疏水涂层，该涂层不仅具有优异的疏水性，水接触角高达160°以上，而且在一定程度上提高了铝合金的耐腐蚀性，有效降低了铝合金在潮湿环境中的腐蚀速率。德国的研究人员利用模板法在不锈钢基体上构建了微纳米复合结构的超疏水表面，这种表面对水滴具有极低的粘附力，水滴在表面的滚动角小于5°，展示出良好的自清洁性能，在实际应用中能够有效减少灰尘和污垢的附着。

国内在超疏水表面研究方面也发展迅速，在合金基体超疏水表面的制备及性能研究上取得了显著进展。大连理工大学的学者使用化学刻蚀以及两步化学刻蚀等技术，成功在黄铜、铝合金、不锈钢等合金基体上获得超疏水表面。采用含有三氯化铁和盐酸的水溶液刻蚀金属黄铜表面，得到具有微纳米双重粗糙度阶层结构的表面，经氟化处理后，水滴接触角达到157°，接触角滞后为5°。还有学者通过氢氟酸和盐酸两步化学刻蚀的方法在铝合金基体上构筑粗糙结构，再用氟硅烷-乙醇溶液进行疏水化处理，使铝合金表面形成由长方体状凸台和凹坑构成的微纳米“迷宫”结构，氟化处理后的表面与水接触角达到156°，接触角滞后为5°。此外，有研究团队采用阳极氧化和化学修饰相结合的方法处理铝合金表面，阳极氧化形成致密氧化膜，化学修饰在氧化膜上形成微纳米结构，进一步增强超疏水性能，处理后的铝合金表面接触角均超过150°，符合超疏水表面要求，且在酸性和碱性介质中具有较好的耐腐蚀能力。

尽管国内外在合金基体超疏水表面的研究取得了不少成果，但仍存在一些不足之处。在制备方法方面，部分制备工艺复杂、成本较高，难以实现大规模工业化生产。例如，化学气相沉积法和电沉积法虽然能够制备出性能优良的超疏水表面，但设备昂贵、制备过程耗时，限制了其在实际生产中的应用。在表面稳定性方面，超疏水表面