本文由周娟、彭健、韦红草、罗宁康、王雪健、汪希奎和梅益共同撰写，发表于《复合材料学报》（Acta Materiae Compositae Sinica），并于2024年8月26日网络首发。该研究由贵州大学机械工程学院的研究团队完成，得到了国家自然科学基金青年项目、贵州大学自然科学专项等多个项目的资助。
金属材料因其优异的力学性能，在航空航天、海洋工程、交通运输等领域具有广泛应用。然而，金属腐蚀问题严重影响了其使用寿命和性能，造成了巨大的经济损失和环境安全隐患。传统的防腐措施如缓蚀剂、电化学保护和金属镀层等，虽然在一定程度上缓解了腐蚀问题，但其效果有限。近年来，受自然界“荷叶效应”启发，研究人员通过模仿植物表面的微纳结构，成功开发出具有超疏水性能的涂层，展现出卓越的防腐蚀性能。本文综述了近年来超疏水涂层在金属防腐蚀领域的研究进展，总结了其耐蚀性、制备技术、润湿理论及防腐机制，并展望了未来的发展趋势。
超疏水涂层的防腐蚀性能与其表面的润湿性密切相关。本文详细介绍了三种主要的润湿理论模型：Young’s方程、Wenzel模型和Cassie模型。
Young’s方程：该方程描述了液体在理想光滑固体表面的润湿行为，通过固-气、固-液和液-气界面张力的平衡，计算液滴在固体表面的接触角。然而，现实中完全光滑的表面极少存在，因此该方程的适用性有限。
Wenzel模型：该模型引入了表面粗糙度因子，解释了粗糙表面对润湿性的影响。Wenzel模型认为，粗糙表面会放大液滴的接触角，使得亲水表面更亲水，疏水表面更疏水。
Cassie模型：该模型进一步考虑了液体在粗糙或异质表面上的不完全浸润行为，适用于描述复合接触的粗糙表面。Cassie模型解释了液体在超疏水表面形成气垫效应的现象，即液滴与表面之间存在空气层，减少了液滴与表面的实际接触面积。
超疏水涂层通过其独特的微纳结构和低表面能，提供了多种防腐蚀机制：
Lotus效应：超疏水表面能够使水滴形成球形并轻松滚落，带走表面的污垢和腐蚀介质，从而保持长期的防腐蚀效果。研究表明，通过构建分层微纳结构，超疏水涂层能够显著提高金属的耐蚀性。
阻碍电化学腐蚀：超疏水涂层的高接触角减少了水滴与金属表面的实际接触面积，降低了腐蚀微电池的形成，从而阻碍了电化学腐蚀过程。
提高界面结合力：超疏水涂层与金属基体之间的强结合力能够抵抗机械磨损，减少因物理损伤导致的腐蚀问题。
气垫效应：超疏水表面形成的空气层能够减少腐蚀介质与金属的直接接触，从而减缓腐蚀速率。
根据涂层材料的不同，超疏水涂层可分为防蚀性超疏水聚合物涂层、耐蚀性纳米超疏水涂层和耐蚀性超疏水陶瓷涂层三大类。
防蚀性超疏水聚合物涂层：这类涂层通过添加功能性物质如防腐蚀剂和纳米颗粒，提升了涂层的防腐蚀性能和疏水特性。研究表明，通过调整聚合物涂层的配比和表面粗糙度，能够显著提高其耐蚀性。
耐蚀性纳米超疏水涂层：纳米材料与其他材料的结合形成了微纳级结构表面，不仅抵御化学腐蚀，还能通过自清洁效应减少污染物附着，延长材料的使用寿命。纳米颗粒的加入进一步提高了涂层的稳定性和耐蚀性。
耐蚀性超疏水陶瓷涂层：陶瓷涂层结合了微纳结构和表面改性技术，提供了强大的腐蚀抵抗力和防污染能力。研究表明，陶瓷涂层的耐蚀性优于聚合物和纳米涂层，但其制备工艺复杂，成本较高。
超疏水涂层的制备方法主要包括自组装法、溶胶凝胶法和化学气相沉积法。
自组装法：通过分子间作用力，使分子或纳米颗粒形成有序的微纳结构。该方法适用于具有特定表面特性的金属材料，能够精确控制纳米级结构，但控制难度和结构稳定性仍是挑战。
溶胶凝胶法：通过控制溶胶-凝胶的变化，形成具有目标结构的薄膜或涂层。该方法适用于制备金属氧化物和半导体材料，具有制备过程均匀、适用范围广的特点，但制备条件严苛，成本较高。
化学气相沉积法：通过气相中的化学反应，在目标表面形成固态沉积物。该方法适用于制备金属薄膜和半导体材料，能够精确控制薄膜厚度和结构，但制备条件严格，成本较高。
尽管超疏水涂层在金属防腐蚀领域取得了显著进展，但仍面临一些挑战。例如，涂层的长期耐久性、机械稳定性和在极端环境中的实际应用效果仍需进一步研究。未来的研究方向可能包括开发更环保的涂层材料、优化制备工艺以提高涂层的稳定性和耐久性，以及探索超疏水涂层在更多领域的应用。
本文系统综述了超疏水涂层在金属防腐蚀领域的研究进展，总结了其润湿理论、防腐蚀机制、耐蚀特性及制备方法。超疏水涂层通过其独特的微纳结构和低表面能，提供了多种防腐蚀机制，显著提高了金属材料的耐蚀性。尽管面临一些挑战，超疏水涂层在金属防腐蚀领域具有广阔的应用前景，未来的研究将进一步推动该领域的技术创新和发展。