本文介绍了一项关于超疏水装甲微结构阵列的制造及其摩擦腐蚀性能的研究，该研究由Zhongxu Lian、Yi Cheng、Zheming Liu、Qianqian Cai、Jin Tao、Jinkai Xu、Yanling Tian和Huadong Yu等作者共同完成，发表于2023年的《Surface & Coatings Technology》期刊上。研究团队来自长春理工大学、英国华威大学和吉林大学等机构。该研究提出了一种基于无掩模电化学加工（maskless electrochemical machining, maskless ECM）技术的高效、可扩展的超疏水装甲微结构阵列制造方法，并对其摩擦腐蚀性能进行了深入探讨。

研究背景

超疏水表面（superhydrophobic surfaces）因其在自清洁、防冰、减阻、传热、液滴操控等领域的广泛应用前景而备受关注。然而，超疏水表面的机械稳定性较差，限制了其在复杂环境中的实际应用。近年来，研究人员尝试通过引入聚合物粘合层、牺牲上层自相似结构或引入离散微结构等策略来提高超疏水表面的机械耐久性，但这些方法的性能有限。特别是金属基材上的装甲微结构阵列（armor microstructure arrays）加工难度大，成本高，限制了其实际应用。此外，金属材料在海洋设备等实际应用中会同时受到机械作用和腐蚀的影响，这种现象被称为摩擦腐蚀（tribocorrosion）。然而，关于超疏水微结构阵列的摩擦电化学性能的研究却鲜有报道。

研究方法

本研究提出了一种基于无掩模电化学加工技术的新型制造方法，用于在304不锈钢表面制造具有方形微坑的装甲微结构阵列。研究的主要步骤如下：

1. 材料准备：使用304不锈钢作为阳极材料，通过线切割电火花加工（wire electrical discharge machining, WEDM）制备金字塔阵列阴极。
2. 无掩模电化学加工：利用无掩模电化学加工系统在阳极表面制造装甲微结构阵列。加工过程中，电解液为硝酸钠（NaNO₃），并通过调节电压参数控制微结构的形态和润湿性。
3. 样品表征：使用扫描电子显微镜（SEM）和激光共聚焦显微镜对样品的二维形貌和三维轮廓进行表征，并通过接触角测量仪测量样品的接触角。
4. 摩擦电化学测试：使用多功能摩擦磨损测试仪对304不锈钢基材和超疏水装甲微结构阵列表面进行摩擦电化学测试，评估其在腐蚀环境中的机械耐久性。

研究结果

1. 微结构形态与形成机制：通过无掩模电化学加工技术，成功在304不锈钢表面制造出具有方形微坑的装甲微结构阵列。随着电压的增加，微坑结构的壁厚逐渐减小，深度也逐渐减小。通过COMSOL多物理场模拟软件对微结构的形成过程进行了模拟，验证了实验结果。
2. 表面润湿性：制造的超疏水装甲微结构阵列表现出优异的超疏水性，接触角达到153.5°±0.9°。随着电压的增加，接触角逐渐增大，表明微结构的壁厚减小导致固体与液体的实际接触面积减小，从而提高了接触角。
3. 摩擦电化学性能：摩擦电化学测试结果表明，超疏水装甲微结构阵列在腐蚀环境中表现出优异的摩擦腐蚀性能。与光滑表面相比，超疏水表面的开路电位（OCP）更高，摩擦系数（COF）更低，表明其具有更好的抗腐蚀和抗摩擦性能。

结论

本研究通过无掩模电化学加工技术实现了304不锈钢表面超疏水装甲微结构阵列的可扩展制造。该微结构阵列不仅表现出优异的超疏水性，还在腐蚀环境中展现出良好的摩擦腐蚀性能。研究结果表明，通过调节加工参数可以有效控制微结构的形态和润湿性，从而为超疏水表面的实际应用提供了新的解决方案。

研究亮点

1. 创新性制造方法：本研究提出了一种高效、低成本的无掩模电化学加工技术，用于制造超疏水装甲微结构阵列，克服了传统加工方法的局限性。
2. 优异的摩擦腐蚀性能：制造的超疏水装甲微结构阵列在腐蚀环境中表现出优异的抗摩擦和抗腐蚀性能，为其在海洋设备等复杂环境中的应用提供了可能。
3. 可扩展性：该制造方法具有高度的可扩展性，可以应用于其他复杂微结构阵列的制造，具有广泛的应用前景。

研究意义

本研究不仅为超疏水表面的制造提供了一种新的技术路径，还为其在复杂环境中的实际应用提供了理论支持。通过调节加工参数，可以实现对微结构形态和润湿性的精确控制，从而为超疏水表面的设计和优化提供了新的思路。此外，该研究还为摩擦腐蚀领域的研究提供了新的实验数据和理论依据，具有重要的科学和应用价值。