《中國化工報》采訪張優老師：鋁鎂合金有了智能防腐涂層采用“納米膠囊”結構，緩蝕劑“對癥下藥”
《中國化工報》采訪張優老師：鋁鎂合金有了智能防腐涂層采用“納米膠囊”結構，緩蝕劑“對癥下藥”
鋁合金和鎂合金等輕質金屬材料在交通運輸、航空航天等關鍵領域廣泛應用，但其性能發揮和安全服役常因腐蝕失效而受限。在裝備輕量化浪潮中，鋁鎂合金材料既要“身輕如燕”又要“百毒不侵”，對防腐技術提出了近乎苛刻的要求。這類材料的傳統保護涂層僅能被動防護，一旦受損，不僅失效，可能引發更嚴重的局部腐蝕。如何讓涂層更智能、主動地應對腐蝕已成為行業關注的重要課題。
近日獲得中國腐蝕與防護學會科學技術獎(自然科學類)一等獎的“鋁鎂輕合金智能長效防腐涂層構建機理及構建”成果，通過緩蝕劑有效性、納米容器響應性3個維度的優化設計，開發了一系列具有多重修復機制及協同作用的自修復防腐涂層，建立了“高效緩蝕劑-主客體納米容器-涂層結構”的多層級涂層構建方法。利用該技術開發出的具有主動防護和自修復能力的智能防腐系列涂層受到廣泛認可。
感應腐蝕介質 主動開啟防護
傳統涂層只有物理阻擋作用，可以想象為一層普通的膜，而智能防腐涂層則類似于人的皮膚，其中添加了一種特殊的“納米膠囊”，能夠敏銳感知腐蝕介質的存在，主動發揮防護作用，在涂層受損后還能使其“自愈”。北京石油化工學院新材料與化工學院副教授張優介紹道。
據了解，張優與其科研團隊針對新一代裝備長壽命、輕量化制造的新挑戰，圍繞鋁鎂輕合金防腐涂層的共性科學問題，開展了智能緩蝕劑設計、制備和機理研究，自修復涂層體系設計，多功能涂層構建反應用等工作，建立了鋁鎂輕合金的防腐涂層設計理論與新方法。
對于該成果的腐蝕機理及構建方法，張優表示，為實現涂層智能、長效防腐，團隊從緩蝕劑、納米容器、涂層構建3個維度開展理論研究工作。他們開發的智能防腐涂層不僅提供被動防護，還具備主動防護和自主修復能力，從而達到延長使用壽命、適應復雜多變環境的目的。
如何實現主動防護和自主修復呢?張優將該材料生動地比作“納米膠囊”，其工作原理類似于人體皮膚的自我修復機制：它的外殼是納米容器，內部裝載的是可以延緩金屬腐蝕的緩蝕劑。納米容器能夠智能感應外界腐蝕信號的存在，進而精準觸發緩蝕劑的釋放；緩蝕劑會在金屬表面快速形成致密的保護膜，有效隔絕腐蝕介質與金屬的接觸，類似于人體傷口凝血結痂的過程。該技術具有兩大創新功能：一是主動防御，在腐蝕初期就及時響應；二是自我修復，當局部保護膜受損時，鄰近的納米膠囊會釋放緩蝕劑形成新防護層。
緩蝕劑按需釋放 讓修復更高效
該成果采用的“納米膠囊”技術，以及“對癥下藥”的緩蝕劑，都指向同一個目標：把緩蝕劑用在“刀刃上”，讓涂層具備有效且高效。
“納米膠囊”結構讓緩蝕劑物盡其用。張優指出，“納米膠囊”結構可防止緩蝕劑泄漏。如果直接在涂層中添加緩蝕劑，緩蝕劑可能早早就泄漏出去了，加入納米容器中，可以實現緩蝕劑按需釋放，即感應到外界腐蝕介質后才會釋放，像是一種“會思考”的防腐涂層技術?！彼f。
針對不同服役場景，團隊篩選出高匹配緩蝕劑，做到“對癥下藥”。張優表示：“航母和艦船處于海洋腐蝕介質環境中，面臨高氯離子濃度的鹽霧腐蝕風險，其內部的鎂鋁等輕合金零部件更容易發生腐蝕。在涂層中加入針對海洋環境的緩蝕劑，可以有效防止或減緩材料的腐蝕。在日常交通運輸領域，該涂層的應用場景也非常廣泛。隨著新能源汽車對整車輕量化的要求不斷提高，越來越多的生產商開始采用鋁鎂合金等輕質材料制造零部件。同時，飛機的蒙皮也常采用鋁合金材料，這些領域都需要高效的防腐涂層。”
攻克多項難題 成果廣受認可
在研發過程中，研究團隊面臨諸多學術難題。首先，緩蝕劑與金屬表面的緩蝕機理十分復雜，傳統研究研發周期長、成本高，目前尚無統一的理論指導；其次，納米容器負載緩蝕劑的相關理論，納米容器負載容量不足、響應釋放功能單一、制備工藝復雜等關鍵問題有待解決；最后，傳統底涂用轉化膜生長存在缺陷、功能簡單、耐蝕性不足等限制因素，增強基體耐蝕性和提高基體與表面涂漆的結合力，已成為多領域輕合金長壽命防腐的重要課題。
面對上述難題，團隊一一攻克。首先，結合高通量腐蝕電化學實驗與理論計算，從微區電化學角度揭示了緩蝕劑的微觀作用與調控機制，為不同輕合金體系建立了高效緩蝕劑設計原則。其次，創新納米容器構建方法及材料庫，結合緩蝕劑理論和結構設計，獲得了一系列新型層狀雙金屬氧化物、金屬有機骨架材料等納米容器的構建方法，成功應用于構建輕合金智能自修復防腐涂層。最后，揭示納米容器成膜理論，開發替代傳統底涂方法的自修復轉化膜新技術，解決了鎂合金基材與膜層結合力差與耐蝕性不足的關鍵科學問題，同時實現了在溫和條件下快速成膜，豐富了該類智能防腐涂層材料工程化應用的理論基礎。
經中國腐蝕與防護學會組織的科技成果評價，該項目成果整體達到國際先進水平，其中在鋁鎂輕合金智能長效防腐涂層緩蝕劑微觀構建研究方面達到國際領先水平。
目前，該技術已在國內外知名學術期刊發表SCI論文50余篇，授權發明專利9項。隨著“雙碳”戰略推進，具有兼具精準性與經濟性的智能防護方案將走向大規模工業應用，有望在新能源裝備、綠色交通等領域催生龐大的市場空間。
（供稿：中國化工報記者；審核：張翠華）