近日，学院2019级过程装备与控制工程专业本科生李欣悦在《Ceramics International》（SCI材料科学1区，Top期刊），以第一作者身份发表题为Mechanical, chemical and wetting properties of a superhydrophobic surface based on functionalized ZrO2on stainless steel（基于功能化ZrO2不锈钢超疏水表面的性能研究）的学术论文，论文共同指导老师为尹华伟、胡传波。
不锈钢是一种广泛应用于日常生活的金属材料，由于其优越的机械性能和耐腐蚀性，在建筑、医疗器械、化工设备等领域被广泛应用。但钢材表面吸附灰尘的倾向较高，在使用过程中难以自洁。特别在潮湿的环境中，被污染的不锈钢表面容易被腐蚀，无法满足恶劣条件下使用的要求。本课题通过化学刻蚀与表面改性技术在304不锈钢表面上制备出坚固的超疏水FAS-ZrO2（FZr-ESS）表面，可有效提高不锈钢基体的防污自洁与耐腐蚀能力。
图1 超疏水FZr-ESS表面制备过程示意图
所制备的超疏水FZr-ESS表面底层均匀分布有蜂窝状凹坑结构，凹坑的平均直径为5 ~ 30 μm；表层功能化ZrO2颗粒均匀地分布在蜂窝状结构上，形成较大的团聚体。团聚体具有纳米级结构的乳突，可创造更多的通道来存储空气。粗糙的微/纳米结构加上低表面材料的协同作用，使不锈钢基体获得了优异的超疏水性能。
图2 不同样品的表面的SEM图像和CLSM图案：（a-c）SS，（d-f）ESS，（g-i）F-ESS与（j-l）FZr-ESS
优异的耐酸碱性是超疏水表面可应用实际的重要特征。FZr-ESS表面的CA值随酸或碱浓度的增加变化极小，意味着其可以抵抗强酸性或碱性环境。同时，FZr-ESS还具有良好的耐腐蚀性能。这种优异的化学稳定性可归于以下两个因素。一方面，由于Zr–O–Zr比Si–O–Si具有更高的键解离能和更强的共价键，即使在酸性和碱性条件下交联的水解和溶解也可被抑制。另一方面，较小的固/液接触面积大大抑制了酸/碱溶液与Zr–O–Si键的相互作用，可以有效地阻止水和腐蚀性离子向基体扩散。
图3 溶液pH值对（a）F-ESS和（b）FZr-ESS表面疏水性的影响；不同样品的（c）OCP曲线和（d）Tafel曲线
抗污染性是超疏水表面的重要特性，可以保护基体不粘附腐蚀介质。FZr-ESS表面所测液滴的外观几乎呈球形。不同液滴在FZr-ESS表面的CA大多高于155°。这主要是由于引入ZrO2颗粒后形成的粗糙分层和多孔结构更容易捕获大量的空气，从而在液滴和基体表面之间形成一个稳定气垫。因此，FZr-ESS表面因其超疏水的多样性而显示出良好的应用前景。
图4 不同液滴在（a）SS，（b）F-ESS和（c）FZr-ESS表面的润湿特性。
(d)、(e)和(f)分别是(a)、(b)和(c)表面上液滴的相应CA值。
本论文采用简便易行的技术在不锈钢基体上建立了一个高度稳定的超疏水表面。除具有良好的机械稳定性与化学稳定性，该表面还具有优异的长效稳定性、润湿多样性和自清洁性能，为超疏水表面的实际应用奠定了基础，具有广阔的应用前景。
本研究论文发表在SCI期刊《Ceramics International》（中科院1区，TOP期刊）。学院本科生李欣悦为论文第一作者，学院尹华伟博士、胡传波副教授为论文共同通讯作者。本研究受到重庆市自然科学基金项目(cstc2020jcyj-msxmX0826, cstc2021jcyj-msxmX1139)、重庆市教委项目(KJQN202001234, KJQN202201214)，河北省自然科学基金项目(E2019208144)以及四川省材料腐蚀与防护重点实验室开放项目(2021CL15)的资助。
论文连接：https://doi.org/10.1016/j.ceramint.2023.03.096
