Ti-6Al-4V（TC4）钛合金因其高强度和耐腐蚀性而在海洋设备制造领域得到广泛应用。然而，当TC4长时间浸泡在海洋环境时，表面容易附着微生物。微生物的附着和积累导致设备表面结垢从而增加航行阻力、管道堵塞甚至设备故障或失灵等问题。本课题采用一步电沉积法在TC4表面制备了具有蜂窝状粗糙结构的Cr/PTFE/TiO2（CPT）超疏水镀层，可有效提高TC4的抗生物污损能力。
图1 超疏水CPT镀层的制备示意图
增强材料的浮力对于海洋装备的设计等有着重要影响。将制备的镀层水平放置在含有水的烧杯中，并将具有不同数量的回形针放置在镀层表面上以评估浮力增强性能。CPT的最大载荷为2.9 g，几乎是裸TC4基体(1.2 g)的两倍，这表明CPT镀层具有优异的增浮特性，使TC4表面能够成为更高承载能力的材料。此外，在−10 ℃时，水滴在CPT表面的冻结时间为765 s，且冻结水滴仍然可以保持准球形，意味着CPT镀层拥有出色的延迟结冰能力。这主要是由于粗糙结构中稳定的气垫，减小了液-固界面面积，有效地减少了界面间的传热，从而延长了液滴在低温下的液态停留时间，同时气垫也起到了绝热屏障的作用，增加了自由能垒，减缓了冰晶的形成过程。
图2 浮力和防冰试验。(a, f) TC4；(b, g) CP；(c, h) CPT。（d）浮力试验模型。（e）−10 ℃时，水滴在制备表面上的冻结时间
CPT镀层展示出优异的抗生物污损性能。在生物污损测试中，CPT表面只能观察到非常少量的小球藻和芽孢杆菌附着。统计数据显示，CPT镀层上的小球藻和芽孢杆菌覆盖率与TC4表面相比显著降低，仅为5.4%和0.9%。这表明CPT镀层有效防止微生物细胞附着。镀层表面稳定的气垫大大减小了微生物与固相的实际接触面积，导致微生物的初始附着点大大减少。随着浸泡时间的延长，CPT镀层内的气垫逐渐消失，镀层内部结构开始被水分子和各种微生物渗透，此时，TiO2在光照条件下可以激活其抗菌性能，产生的活性氧物质可以氧化细菌细胞壁，膜和大分子，导致其结构损伤或者死亡。因此，CPT镀层中TiO2的光催化活性显著提高了镀层的抗生物污损性能。
图3 小球藻在(a) TC4，(b) CP和(c) CPT上的光学和CLSM图像。芽孢杆菌在(d) TC4，(e) CP和(f) CPT上的CLSM图像。(g)小球藻和芽孢杆菌覆盖率。(h)抗生物污损机理。
本研究论文“Fabrication of superhydrophobic Cr/PTFE/TiO2composite coating via one-step electrodeposition for enhanced buoyancy and anti-biofouling performances”发表在SCI期刊《Journal of Environmental Chemical Engineering》（二区，IF= 7.2）。学院硕士研究生罗吟秋为论文第一作者，尹华伟副教授、胡传波副教授为论文共同通讯作者。本研究同时也受到国家自然科学基金（批准号：51773173、81973288）、香港研究资助局一般研究基金（GRF，12202422）、重庆市自然科学基金（项目号：cstc2021jcyj-msxmX1139、CSTB2024NSCQ-MSX1013）、重庆市教育委员会科学技术研究项目（项目号：KJZD-K202304502、KJZD-M202301201）以及四川省材料腐蚀与防护重点实验室开放项目（项目号：2024CL05）的资助。
论文连接：https://doi.org/10.1016/j.jece.2025.118939
