M. Ghiasvand | M. Mozammel | S. Mahdavi
材料工程学院，萨汉德科技大学，大不里士，51335-1996，伊朗
摘要
金属腐蚀和磨损是严重影响效率和使用寿命的主要问题，而表面润湿性在这些退化过程中起着关键作用。先进的防湿涂层，特别是含有润滑剂的多孔表面（SLIPS），因其能够提高耐用性和润滑性能而受到了广泛关注。在本研究中，使用磷酸锰涂层在低碳钢上制备了SLIPS，并通过三甲基氧丙基硅烷（TMPSi）溶液处理来改善表面的疏水性。为了进一步提高涂层性能，将有机改性的SiO2纳米颗粒掺入润滑剂中，从而增强了润滑剂的保持能力和界面稳定性。所得涂层具有较高的水接触角（128.6° ± 1.3°），并且这种性能在八个月内保持稳定。电化学测试（包括在3.5 wt% NaCl溶液中静止和湍流条件下的测试）证实，与传统疏水涂层相比，该涂层具有更优异的防腐蚀性能。此外，掺有纳米颗粒的润滑剂在多孔基质中能够实现持续自修复和抗磨损效果，使得摩擦系数低至0.24。这些发现为设计具有优异耐用性和稳定性的多功能涂层提供了一种基于性能和机制的策略，适用于机械系统、民用基础设施和海洋工程等领域。
引言
腐蚀和磨损是航空航天、汽车和建筑等多个行业面临的主要问题，这些问题会严重损害结构完整性，缩短使用寿命，并导致重大的安全和经济后果[1]。为了解决这些问题，人们开发了多种保护策略，其中表面涂层技术尤为引人注目。诸如热喷涂和电化学或化学镀层等成熟涂层方法已被广泛采用[2]、[3]。然而，这些方法通常存在固有的局限性，包括界面粘附力弱、会产生有害环境副产品，以及难以实现均匀的涂层厚度和微观结构[4]、[5]。相比之下，磷酸盐涂层在汽车及相关行业中发挥着重要作用，因为它们具有成本效益高、形成速度快，并具备耐腐蚀性、耐磨性、粘附性和润滑性等理想性能[6]、[7]、[8]、[9]。在各种磷酸盐转化涂层中，磷酸锰涂层因其综合性能优异而在汽车行业得到广泛应用[6]、[7]、[8]、[9]。磷酸盐涂层可以形成粗糙多孔的结构，可用于制备疏水表面（HS），这类表面近年来受到了特别关注。疏水表面具有出色的防水性能，并通过物理屏障作用有效抑制水分和腐蚀性物质的侵入[10]、[11]、[12]、[13]。然而，传统疏水涂层的寿命往往受到机械耐久性的限制[14]，因此其长期可靠性和实际应用受到限制。为克服这些局限，含有润滑剂的多孔表面（SLIPS）作为一种创新替代方案应运而生。SLIPS在防雾[15]、防结垢[16]、防冰[16]、[17]、[18]、抗菌涂层[20]、防腐[21]、[22]、[23]以及光学透明性[24]等领域得到了广泛应用。制备SLIPS的方法是将润滑液注入具有低表面能的微结构或纳米结构基底中，空气孔隙被润滑液取代，形成超光滑的分子级界面，使不相容的液体容易从表面滑落，从而实现自清洁和抗污染功能。这种层次化的粗糙结构产生的毛细力能够将润滑剂稳定地固定在多孔框架内，形成固定的液体层。由于SLIPS应用于苛刻环境，延长其长期稳定性是研究的主要目标[13]、[14]、[21]。在这方面，硅烷处理方法受到了广泛关注，主要原因有二：首先，它可以轻松应用于几何形状复杂的部件，适用于复杂设计；其次，该方法经济可行，使用廉价的前驱体，且无需特殊设备或基础设施[25]、[26]。一种提高SLIPS耐用性的新策略是在基底上施加多层涂层，并在润滑油中加入纳米颗粒。在本研究中，使用三甲基氧丙基硅烷（TMPSi）溶液作为第二层，以改善多孔表面的疏水性并增强其与润滑剂的相容性[27]、[28]、[29]、[30]。然而，关于纳米材料对SLIPS性能影响的研究相对较少[31]、[32]、[33]、[34]。最近的研究表明，将纳米材料掺入含润滑剂的系统中可以显著影响其稳定性、界面行为和长期功能性能，尽管这一领域仍有许多未探索之处[35]、[36]、[37]、[38]。
在本研究中，选择低碳钢作为基底，因其简单性、可扩展性和成本效益，制备了磷酸锰涂层以形成多孔结构。这种方法在纳米结构制备和先进表面工程方面展现出巨大潜力。磷酸盐层经过TMPSi改性后，再涂覆含有SiO2纳米颗粒的硅油作为第三层[6]、[7]、[8]、[9]。SiO2纳米颗粒通过有机基团改性，提高了与硅油的相容性。这种新型SLIPS涂层具有优异的润滑性能，同时具备自修复、防腐蚀和抗磨损功能，为设计耐腐蚀和耐磨的先进涂层提供了新的基础。
章节摘录
疏水表面的制备
首先对低碳钢基底（20 × 15 × 1 mm）进行脱脂、水冲洗、酸洗和水冲洗处理，然后在92°C的磷酸锰浴中浸泡25分钟，形成涂层层。
形貌与成分
使用能量分散X射线光谱（EDS）分析了涂层的化学成分，相应光谱见图3。结果表明，SiO2纳米颗粒的比例增加会导致检测到的硅含量相应增加。EDS光谱中观察到的Mn和P峰对应于表面的磷酸锰涂层。
如图4中的扫描电子显微镜（SEM）图像所示，HS涂层（G）...
结论
本研究的主要目标是设计一种结合科学创新和实际应用性的涂层系统。该策略的一个关键创新是使用TMPSi溶液对磷酸锰涂层进行可控的表面改性，据作者所知，这种方法尚未在SLIPS系统中用于钢表面的疏水化处理。这种处理成功制备出了稳定的疏水表面...
CRediT作者贡献声明
M. Ghiasvand：撰写——初稿，实验研究。M. Mozammel：撰写——审稿与编辑，监督，数据管理，概念构思。S. Mahdavi：撰写——审稿与编辑，项目管理，方法学研究，资金申请。
利益冲突声明
作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。
