《Materials Today Communications》：Study on the Preparation and Properties of Superhydrophobic Mg-Li Alloy Surface via Composite Etching Method
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本研究针对镁锂合金耐腐蚀性差的问题，通过激光刻蚀与盐酸化学刻蚀复合工艺，结合硬脂酸改性，成功在LAZ933镁锂合金表面构建了微纳分级结构的超疏水涂层。该表面水接触角高达159.5°，滑动角低至4.4°，腐蚀电位正移0.29 V，腐蚀电流密度降低两个数量级，腐蚀抑制效率达98.8%，并兼具自清洁功能和良好的机械耐久性，为拓展镁锂合金在航空航天等苛刻环境下的应用提供了新策略。
镁锂合金作为最轻的金属结构材料，在航空航天、汽车工业、电子产品和生物医学领域展现出巨大的应用潜力。其密度仅为铝合金的50%-67%，或传统镁合金的60%-75%，替代后者可实现20%-50%的减重效果，对提升燃油效率、减少排放意义重大。然而，镁锂合金极高的化学活性导致其耐腐蚀性极差，尤其在潮湿、盐雾等环境中腐蚀加剧，严重制约了其商业化应用进程。因此，如何通过有效的表面处理技术大幅提升镁锂合金的耐腐蚀性能，成为材料科学领域一个亟待解决的关键问题。
超疏水表面，定义为静态水接触角大于150°、滑动角小于10°的表面，因其独特的“气垫”效应能有效排斥水滴、隔离基体与腐蚀介质，在金属腐蚀防护方面显示出卓越前景。除了优异的耐腐蚀性，超疏水表面还具备防污、防冰、自清洁、油水分离和减阻等多功能特性。目前，虽已有多种技术在镁合金上制备超疏水表面，如化学刻蚀、激光烧蚀、阳极氧化等，但针对镁锂合金的相关研究仍相对有限。镁锂合金中锂元素的存在使其表面结构化行为不同于常规镁合金，锂的高活性使得富锂区在酸蚀中优先溶解，更易于形成微纳尺度的表面特征，这为构建特殊浸润性表面提供了独特机遇。
在此背景下，发表在《Materials Today Communications》上的研究论文“Study on the Preparation and Properties of Superhydrophobic Mg-Li Alloy Surface via Composite Etching Method”提出了一种结合激光刻蚀与湿法化学刻蚀的复合方法，成功在LAZ933镁锂合金表面制备出具有微纳分级结构的超疏水涂层，并系统评价了其润湿性、腐蚀防护性能、自清洁能力及耐久性。
本研究采用了几项关键技术方法：首先对镁锂合金基体进行打磨抛光预处理；随后利用红外纳秒激光标记机进行激光图案化刻蚀，形成微米级沟槽结构；接着进行盐酸溶液化学刻蚀，进一步构建纳米级绒毛状结构，形成微纳复合粗糙度；最后通过硬脂酸乙醇溶液进行表面修饰，降低表面能。表征手段包括场发射扫描电子显微镜观察表面和截面形貌，激光扫描共聚焦显微镜分析三维轮廓和粗糙度，接触角测量仪评估润湿性，以及傅里叶变换红外光谱、X射线衍射和能量色散X射线光谱分析表面化学组成和物相。性能测试主要通过电化学工作站测量动电位极化曲线和电化学阻抗谱来评估耐腐蚀性能，并通过胶带剥离、砂纸磨损以及长期大气环境暴露测试考察机械稳定性和长期耐久性，同时进行了自清洁性能演示。
3.1. 表面微观形貌
通过不同处理阶段的形貌对比发现，原始抛光表面较光滑，粗糙度仅为1.04 μm。激光刻蚀后形成深度约76.2 μm的倒三角形沟槽，并伴有熔渣堆积，表面粗糙度增至14.19 μm。后续盐酸刻蚀在熔渣表面进一步蚀刻出更精细的绒毛状纳米结构，粗糙度提升至15.49 μm。经硬脂酸改性后，表面被低表面能层覆盖，沟槽底部呈现鱼鳞状结构，粗糙度进一步增至16.31 μm，有利于形成捕获空气的Cassie-Baxter接触状态。截面FESEM显示超疏水涂层平均厚度约为93.4 μm，且均匀致密。
3.2. 表面润湿性分析
原始镁锂合金表面亲水，水接触角为77.8°。抛光后降至41.3°。激光刻蚀和盐酸刻蚀后表面变为超亲水（水接触角接近0°）。单独硬脂酸改性抛光表面或仅激光刻蚀后改性表面均未达到超疏水状态。而经过复合刻蚀再硬脂酸改性后，表面水接触角高达159.5°，滑动角为4.4°，呈现典型超疏水特性。根据Cassie-Baxter模型计算，固-液接触面积分数仅为1.03%，气-液接触面积分数高达98.97%，表明大量空气被截留于微结构中，有效隔离了液固接触。
3.3. 表面化学成分分析
XRD分析表明，LAZ933镁锂合金基体主要由Al12Mg17、AlLi和Mg7Li3相组成。激光刻蚀后生成MgO相，酸蚀后各相衍射峰强度减弱。硬脂酸改性后，EDS显示C、O元素含量增加，FTIR谱图在2914 cm?1和2846 cm?1处出现-CH-伸缩振动峰，并在1556 cm?1和1406 cm?1处出现羧酸盐基团(-COO-)的特征吸收峰，证实硬脂酸成功以化学键合方式 grafted 到合金表面，形成了低表面能层。
3.4. 耐腐蚀性分析
电化学测试结果表明，与光滑镁锂合金相比，超疏水表面的腐蚀电位从-1.51 V正移至-1.22 V，腐蚀电流密度从3.58 × 10-4A/cm2显著降低至4.29 × 10-6A/cm2，腐蚀抑制效率高达98.8%。EIS谱图显示超疏水表面容抗弧半径显著增大，低频阻抗模值提升一个数量级，电荷转移电阻Rct值远高于其他阶段样品。腐蚀形貌观察显示，光滑表面腐蚀严重，出现大量裂纹和凸起，而超疏水表面微观结构保持完好，仅局部出现细小腐蚀裂纹，证明超疏水涂层有效阻挡了腐蚀介质的渗透。
3.5. 耐久性性能测试
长期大气环境暴露60天后，超疏水表面水接触角仍保持在152.2°，滑动角为8.9°，表明其具有良好的长期稳定性。自清洁测试表明，水滴可在超疏水表面轻易滚落并带走碳粉污染物，而光滑表面则无此效果。污染后，超疏水表面的润湿性参数变化微小，显示出优异的抗污染能力。
3.6. 机械耐久性测试
砂纸磨损测试表明，在磨损距离80 cm内，表面仍能保持超疏水性。胶带剥离测试显示，经过40次剥离循环后超疏水性开始下降。这些结果表明所制备的超疏水表面具有一定的机械鲁棒性。
综上所述，本研究通过复合刻蚀与表面改性相结合的策略，成功在镁锂合金表面构建了性能优异的超疏水涂层。该涂层具有显著增强的耐腐蚀性、良好的自清洁功能、一定的机械耐久性和长期稳定性。该研究不仅为镁锂合金表面防护提供了一种简单、可控且成本效益高的新方法，而且对其在苛刻环境下的实际应用推广具有重要的促进意义。研究成果深化了对镁锂合金超疏水表面构建机理与性能之间关系的理解，为开发高性能轻质合金表面防护技术奠定了坚实基础。
