用于海洋应用的多功能涂层：通过氟硅烷包覆的碳纳米颗粒（CIPs），同时实现耐腐蚀性、微波吸收和减阻效果

《ACTA PHYSICO-CHIMICA SINICA》：Multifunctional coating for marine applications: simultaneously achieving corrosion resistance, microwave absorption, and drag reduction via fluorosilane-encapsulated CIPs

本研究采用溶胶-凝胶法制备了PFOTES包覆的羰基铁（CIP@PFOTES）核壳颗粒，并与氟硅树脂复合形成涂层。该涂层具有超疏水性（接触角158°）、显著减阻效果（>70%）、长期耐腐蚀性（浸泡40天后阻抗模值>10^7 Ω·cm2）及宽频微波吸收（有效带宽7.52 GHz），为海洋环境多功能防护涂层开发提供了新策略。

　　

孙志民|薛文宇|杨双双|张朝阳|于波|王兴伟|于强亮|周峰|刘卫民

中国科学院兰州化学物理研究所固体润滑国家重点实验室，中国甘肃省兰州市730000

摘要

羰基铁粉（CIP）是一种典型的磁损耗型微波吸收材料。然而，在高湿度和高盐度的恶劣海洋环境中，它容易受到电化学腐蚀的影响，从而导致性能下降，限制了其长期应用。本研究通过溶胶-凝胶法制备了核壳颗粒（CIP@PFOTES），将CIP包裹在全氟十二烷基三甲氧基硅烷（PFOTES）壳层中。然后将这些颗粒掺入氟硅树脂（FSR-ZY220L）中，制备出多功能CIP@PFOTES-ZY涂层。该涂层具有超疏水性，水接触角为158°。在0.1至100 s^-1的剪切速率范围内，阻力降低了70%以上。该涂层在中性盐雾环境中表现出优异的长期耐腐蚀性。电化学阻抗谱（EIS）显示，在3.5 wt.% NaCl溶液中浸泡40天后，低频阻抗模量（|Z|₀.₀₁ Hz）仍保持在10⁷ Ω cm²以上。此外，当涂层厚度为1.3 mm时，其有效吸收带宽（EAB，RL ≤ ?10 dB）达到7.52 GHz，显著优于未经改性的CIP。本研究为开发高性能、多功能海洋应用防护涂层提供了一种有效的材料设计策略。

引言

随着电子信息技术、雷达系统和电子设备的快速发展，电磁辐射变得越来越普遍[1], [2], [3], [4], [5], [6], [7], [8]。电磁波吸收材料在电子、医疗和国防领域至关重要，因为它们可以通过干涉和耗散机制将入射的电磁能量转化为热能或其他形式的能量[9], [10], [11], [12], [13], [14], [15], [16], [17]。在磁性合金中，CIP因其高饱和磁化强度、低矫顽力和良好的复磁导率而受到广泛研究。然而，诸如易受腐蚀[18]、损耗机制有限[19]以及斯努克极限[20]等挑战阻碍了其实际应用。在海洋或酸性等恶劣环境中，CIP容易与腐蚀性介质发生反应，导致腐蚀和性能下降，从而减弱甚至完全丧失其吸收性能[21], [22], [23], [24]。因此，基于电磁损耗和腐蚀机制设计新型复合材料是实现高损耗、薄厚度、宽带宽和优异耐腐蚀性涂层的有效策略[25], [26], [27]。

通常，通过修改复合材料组成、调整微观结构以及设计核壳结构，可以同时提高基于CIP的合金的耐腐蚀性和微波吸收性能，这是当前纳米材料研究的热点[28]。良好的核壳结构不仅能够提高吸收性能，还能增强热稳定性、阻隔性能、耐腐蚀性和可扩展性。例如，Yadav等人[29]证明，用氧化石墨烯（GO）涂覆CIP颗粒可以显著改善其抗氧化性能。在1 mol L^?1 KCl溶液中，GO/p-CI复合材料在循环伏安法中未出现氧化峰，其腐蚀电流远低于裸露的CIP颗粒，表明GO层具有出色的耐腐蚀性。Zhang等人[30]发现，基于氟化硅和聚二甲基硅氧烷（F-SiO₂@PDMS）的涂层由于其优异的疏水性和独特的微观结构而具有很强的耐腐蚀性。Li等人[31]通过原位生长方法将PFOTES掺入铝合金上的Li-Al LDH薄膜中，显著提高了表面的疏水性和耐腐蚀性。PFOTES改性的材料还表现出优异的疏水性和疏油性，因为其表面能较低。

然而，设计一种同时具备高效微波吸收、长期抗腐蚀性和在恶劣海洋环境中有效减阻性能的单一涂层仍然是一个巨大的挑战。本研究采用PFOTES封装层和氟硅树脂的集成策略，实现了耐腐蚀保护、微波吸收和减阻效果。具体来说，通过溶胶-凝胶工艺在CIP表面构建了致密的PFOTES壳层，然后将所得核壳颗粒作为功能性填料掺入氟硅树脂中，形成复合涂层。氟硅树脂与PFOTES改性的填料协同作用，形成了双重疏水屏障和稳定的微纳粗糙结构，从而显著提高了长期抗腐蚀性能，并实现了超疏水减阻效果。实验结果表明，制备的CIP@PFOTES-ZY涂层同时表现出优异的宽带微波吸收性能（有效吸收带宽为7.52 GHz）、出色的长期耐腐蚀性（在3.5 wt.% NaCl溶液中浸泡40天后，|Z|₀.₀₁ Hz > 10⁷ Ω cm^{2 70%），验证了这种集成设计策略的有效性。}

材料

羰基铁粉（CIP）、盐酸、氨水（NH₃·H₂O）、无水乙醇（C₂H₆O）、氟硅树脂-ZY220L（ZY）、Disperbyk-163、Tech-386N和Rheobyk-410均购自Sinopharm Chemical Reagent Company。所有化学品均为分析级（AR），按收到时的状态使用。1H,1H,2H,2H-全氟十二烷基三甲氧基硅烷（PFOTES）购自Aladdin Industrial Corporation。去离子水在实验室中制备。

CIP@PFOTES核壳颗粒的合成

首先，将20克CIP粉末与100毫升0.01

CIP@PFOTES的制备与表征

CIP@PFOTES核壳颗粒是通过PFOTES的水解反应合成的，这一过程显著改变了其表面性质和化学组成。因此，这一变化可以用来证明核壳颗粒的成功制备，如图2所示。图2a显示了CIP和CIP@PFOTES的XRD图谱。两种样品在44.8°、65.2°和82.7°处均显示出特征衍射峰，分别对应于（110）、（200）和（211）晶面

结论

本研究通过溶胶-凝胶法成功制备了CIP@PFOTES核壳颗粒，并将其掺入氟硅树脂中，制备出CIP@PFOTES-ZY涂层。该涂层具有超疏水性，水接触角为158°，在0.1–100 s^-1的剪切速率范围内阻力降低了70%以上，Lslip超过3 mm。同时，该涂层表现出优异的长期耐腐蚀性：其低频阻抗模量

CRediT作者贡献声明

周峰：撰写 – 审稿与编辑，监督。 刘卫民：撰写 – 审稿与编辑，监督。 杨双双：撰写 – 审稿与编辑。 张朝阳：软件，方法学。 孙志民：撰写 – 审稿与编辑，撰写初稿，验证，实验研究，概念化。 薛文宇：实验研究，数据管理。 于波：撰写 – 审稿与编辑。 王兴伟：撰写 – 审稿与编辑，资金申请。 于强亮：撰写 – 审稿与

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的利益冲突或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

本工作得到了国家自然科学基金（编号：52305234、52475226）、山东省自然科学基金（编号：ZR2023QE329）、泰山学者计划（编号：tsqn202312299）以及甘肃省科技计划（编号：23ZDGA011、24JRRA043）的财政支持。