新型超塑性镁合金仿生结构的原位调控机制及耐蚀超疏水表面的构建

This project originating from exploiting surface function of light Mg alloy with great application potential in machinery field, based on super-hydrophobic face micro-nano structure characteristic of lotus leaf etc., biomimetic self-cleaning super-hydrophobic function face has been fabricated in new type superplastic Mg alloy. The key challenges of the formation and control of biomimetic face structure is investigated. The innovative ideas are that biomimetic face hydrophobic function is associated with the inner microstructure. Biomimetic face structure was in situ controlled by the change of inner microstructure and the problem of poor anti-corrosion of Mg alloy was solved by the establishment of biomimetic superhydrophobic surface. The theoretical innovation of this project includes that realizing the effect and in situ regulation mechanisms of inner microstructure on the formation of super-hydrophobic face structure, establishment of qualitative relationship between the inner microstructure and corrosion property, revealing mechanism of anti-corrosion, clarifying the mechanism of effect of inner microstructure on mechanical stability of super-hydrophobic face, revealing effect of super-hydrophobic face structure on strength and plasticity of Mg alloy and strength-toughness mechanism, realizing the integrate of structure and function of new type superplastic magnesium alloy.

本项目立足拓展机械行业中具有较大应用潜力的轻质镁合金表面功能，基于荷叶等植物叶超疏水表面微/纳结构特征，对新型超塑性镁合金进行仿生自清洁超疏水功能表面制备。针对仿生表面结构的形成及调控等关键科学问题开展研究。创新思路在于，将新型超塑性镁合金内部组织结构（晶粒、析出相）特征和仿生表面疏水功能进行了巧妙结合。通过改变内部组织实现合金仿生表面结构的原位调控，构建仿生超疏水表面，解决镁合金腐蚀性能差的难题。在理论上的创新：揭示合金内部组织结构对仿生超疏水表面结构形成的作用机理与原位调控机制；建立合金内部组织结构与腐蚀性能的定性关系，揭示耐蚀机理；阐明合金内部组织结构对超疏水表面力学稳定性的作用机理，揭示超疏水表面结构对合金强塑性的影响和强韧化机制，实现新型超塑性镁合金结构和功能一体化。

本项目基于荷叶等植物叶表面的自清洁超疏水功能是由其表面形态、表层结构和构成材料等多耦元协同作用的结果，对新型镁合金进行仿生自清洁超疏水功能表面设计，制备具有形态、结构、材料三元耦合的超疏水表面。针对仿生表面结构的形成及调控等关键科学问题，探索了合金内部组织结构与仿生表面结构的形成关系。首先研究了变形参数的改变对合金内部组织的影响，通过改变轧制速度或方向，可最终将镁合金尺寸细化至约4微米，实现了细晶镁合金的有效调控。其次探索了元素（Al、Sn、Zn、Ca）添加对合金内部组织的影响，发现随着元素含量的增加（Al、Sn、Zn），析出相（Mg17Al12、Mg2Sn)逐渐增多，尺寸增大。而Ca元素通过吸附毒化作用使得Mg2Si析出相从最初的枝晶状变成切角立方体最后为立方体。通过合金内部晶粒尺寸和析出相的调控，为随后合金仿生表面结构制备奠定了基础。最后，采用了微弧氧化、激光烧蚀、一步沉积及化学腐蚀制备表面仿生结构，发现通过优化不同的制备参数，可制备出超疏水结构（接触角大于150度）提升合金耐蚀性能。尤其值得注意的是，在化学腐蚀法制备过程中，其内部组织对表面结构的形成具有显著的影响，随着Al含量的增加，在化学腐蚀和表面修饰之后合金表面仿生结构更加均匀细小，接触角逐渐增大，表面从疏水转变为超疏水结构，从而成功地通过内部调控实现了合金表面仿生结构的调控。在其后的拉伸力学测试中，发现表面结构制备前后，合金强度基本维持不变，延伸率具有增加趋势，因此其拉伸性能具有稳定性。同时，拉伸后断口附近的接触角和拉伸前也基本维持一致，因此，合金表面超疏水结构也具有力学稳定性，能够稳定提升合金耐蚀性能。从而，通过内部结构的调控，可以实现新型耐蚀镁合金超疏水表面结构的内部原位调控以及结构和功能一体化。该新型耐蚀镁合金的研究在机械、航空航天等行业具有较大的应用潜力，从而有望打破西方发达国家对我国高端镁合金的技术封锁。