超疏水銅表面的電化學制備及其耐蝕性能研究

陸國超 張宏達 梁新宇 高偉 邱萍

摘 要：本文通過電化學陽極氧化法在銅表面形成具有陣列結構的氫氧化銅納米線，再利用氣相沉積法將具有低表面能的有機硅氟烷對氫氧化銅納米線陣列進行表面修飾，最終制備出具有超疏水性質的使銅表面。利用XRD、SEM、接觸角測量儀、極化曲線測量對所獲得的超疏水銅表面的物相結構、微觀形貌、浸潤性以及在氯化鈉水溶液中的耐蝕性進行了表征。結果表明，通過形成具有超疏水性質的表面結構，能夠抑制腐蝕介質浸潤銅表面、減緩銅在鹽溶液中的腐蝕速度，大大提高銅的耐腐蝕性能。同時對陽極氧化過程的溫度和電流密度對于浸潤性以及耐蝕性的影響進行了研究。

關鍵詞：銅；陽極氧化；超疏水表面；耐腐蝕

銅及其合金因優良的導電性、導熱性和機械性能，在日常生活中具有廣泛的應用。但金屬銅的活性較高，在電解質溶液中（特別是含有氯離子的溶液）極易發生腐蝕，從而造成材料失效，[1]因此如何提高銅及其合金的耐蝕性，提高其在高腐蝕介質中的服役壽命，是領域內研究的熱點問題之一。

目前常用的提高銅及其合金耐蝕性的方法包括陰極保護、緩蝕劑保護和表面涂覆防護等方法[2]，但這些腐蝕防護方法往往存在保護周期較短、成本較高等缺點，同時不能達到在高鹽分水性環境下對表面進行長效腐蝕防護的目的。此外，大量緩蝕劑及有機溶劑的使用也會引起嚴重的環境污染問題。近年來發展起來的表面超疏水處理技術則可能會為高鹽分水性環境中的金屬材料提供一種綠色、簡便、長效的腐蝕防護方法，從而大大延長金屬材料的服役壽命，因此受到研究者的廣泛關注。超疏水表面的形成是表面微觀結構和固體表面能兩者協同作用的結果[3]，通過構建具有一定粗糙度和極低表面能的固體表面，可以在固體表面與水相接觸的兩相界面間引入“空氣墊”，從而賦予固體表面極強的疏水性[4]，亦即超疏水性，形成固體表面與腐蝕介質間的物理隔離，進而為固體表面提供有效腐蝕防護。

因此，我們利用陽極氧化法在銅表面構建具有納米陣列構型的微觀結構，提高了銅表面的粗糙度；同時利用具有低表面能的有機硅氟烷對其表面進行接枝修飾，制備出具有超疏水性質的銅表面，水接觸角達可高達156.3°，并詳細研究了超疏水表面對其防腐蝕性能的提升作用。同時也對陽極氧化過程中溫度以及電流密度的影響進行了初步探究。

一、實驗部分

（一）實驗材料及藥品

（二）超疏水銅表面的制備

將銅片依次在乙醇溶液、去離子水溶液中超聲清洗5分鐘，干燥備用。首先，采用三電極體系進行銅片的陽極氧化，以3摩爾/升的 NaOH水溶液為電解液，清洗后的銅片作為工作電極，鉑片電極為對電極，飽和Ag/AgCl電極為參比電極，利用CHI760e電化學工作站在恒定電流密度下對銅片進行陽極氧化；之后取PTES（0.1% 乙醇溶液）和去離子水各1 ml，與陽極氧化后的銅片置于同一培養皿中，在120℃的條件下對陽極氧化后的銅片進行表面接枝修飾，時長為1小時。

（三）性能表征

利用X射線衍射儀（D8 Focus）表征表面的物相組成，用場發射掃描電子顯微鏡（HITACHI SU8010）觀察表面形貌；使用HARKE接觸角測量儀測量樣品表面水接觸角，以表征樣品表面浸潤性。以工作電極為處理后的銅片，對電極為鉑片電極，參比電極為飽和甘汞電極，在電解質溶液為3.5 wt.%的NaCl水溶液中，用CHI760E電化學工作站測量樣品的開路電位及Tafel極化曲線，對樣品的耐蝕性進行表征。

二、結果分析

（一）物相與形貌分析

利用XRD技術對陽極氧化后樣品的物相組成進行了表征，XRD圖譜（圖1）在23.8°、34.1°、38.2°、39.8°、53.2°出現了較強的衍射峰，通過與PDF標準卡片進行比對，可知這三條衍射峰分別對應于氫氧化銅晶體的（021）、（002）、（022）、（130）和（150）晶面，表明在陽極氧化過程中有Cu（OH）2生成。此外，XRD圖譜在2θ為43.3°、50.5°和74.1°處出現的衍射峰，分別對應面心立方結構銅（111）、（200）和（220）晶面的特征衍射峰。除此之外，并沒有發現其它物質的XRD衍射峰。

利用SEM對處理后銅表面（電流密度為10mA/cm2，溫度為室溫）的微觀形貌進行了表征，結果如圖2所示。結果表明強堿溶液中的陽極氧化使得銅片表面生長出均勻的納米針狀陣列結構，納米針的長度在10μm以上。在高放大倍數下（圖2c、2d），可以看出納米針實際為中空的納米管，具有不規則的開口，納米管的直徑在100-350 nm。固體表面的浸潤性與表面微觀形貌密切相關，微米、納米級粗糙結構的形成往往有利于提高固體表面的疏水性[5]。因此，陽極氧化形成的納米針狀陣列結構有利于提高銅表面的粗糙度，之后再利用有機硅氟烷降低納米針的表面能，就會使得水滴在于表面接觸時，無法填滿粗糙表面的微觀凹槽，在水滴和固體表面的兩相界面間引入“空氣墊”[6]，有利于提高水的接觸角，致使銅表面呈現超疏水性質。

（二）浸潤性分析

分別測量去離子水在未處理的銅片表面和超疏水處理后的銅表面（電流密度為10mA/cm2，溫度為室溫）的浸潤情況，測試液滴體積為4μL。圖3a是未處理銅片表面浸潤情況，水滴在表面鋪展開來，潤濕性較好，接觸角僅88.5°圖3b是超疏水處理后水滴在銅表面的浸潤情況，水滴在表面呈球狀，并未鋪展開來，接觸角高達152.8°，證明實驗制備得到的銅表面具有超疏水性。結果表明，銅片經過陽極氧化和有機硅氟烷的接枝修飾之后，表面水接觸角明顯提高，表現出明顯的超疏水性質。

（a）超疏水化處理后的表面，（b）未處理的純銅表面

（三）耐蝕性分析

為探究超疏水處理對高鹽分水性環境下銅的耐腐蝕性的影響，我們對未處理的銅片和超疏水處理后的銅片的極化曲線進行了表征。圖4是在3.5%wt的NaCl溶液中的Tafel極化曲線，結果表明，在對銅片進行超疏水化處理后，銅片的腐蝕電位由純銅的-0.25 V升高至-0.14 V；除此之外，超疏水化處理后的銅片的自腐蝕電流密度相比純銅片的腐蝕電流密度下降了約3-4個數量級，腐蝕速度減緩。究其原因，我們認為是由于表面具有超疏水性質，水在銅表面的潤濕性能較差，因此在水性環境下能夠實現腐蝕介質和金屬基體的物理隔離；同時陽極氧化形成的Cu（OH）2層導電性差，在表面相當于鈍化層，能夠大大降低銅的腐蝕速率。

（四）陽極氧化溫度的影響

陽極氧化法制膜因其工藝簡便、成膜快速、可控性高等優點而在薄膜制備中廣泛應用，但陽極氧化過程受多種因素影響，不同的工藝參數條件會導致最終樣品具有不同的微觀結構和物理性能。為探究陽極氧化過程中，電解液溫度對于超疏水銅表面的浸潤性和耐腐蝕性能的影響，我們在三個不同的溫度下（12℃、22℃、32℃）進行了銅片的陽極氧化，而保持其余處理條件不變，最終制備得到三組樣品，分別測量其表面水接觸角和Tafel極化曲線。

結果表明，銅片表面的接觸角隨電解液溫度的升高而降低，對于水的潤濕性增強，銅表面的超疏水性減弱。造成這一現象的原因可能是由于氫氧化銅納米線在低溫條件下更容易形核，同時低溫也不利于納米線的生長，因此隨著溫度的降低，納米線的尺寸更小，密度更大，表面粗糙度增加[7]。在Cassie狀態下，表面的水接觸角隨著表面粗糙度的增大而增加，水滴無法填滿粗糙表面的微觀凹槽，水滴與表面結構接觸的界面截留了部分空氣，呈現出較強的超疏水性[5]。

同時極化曲線的表征結果表明，隨著溫度的降低，樣品的自腐蝕電流密度逐漸下降，耐腐蝕性能逐漸上升，但耐腐蝕性能的提高并不明顯。我們認為這是由于銅表面的超疏水性隨著電解液溫度的降低而逐漸增強，從而使得水性環境下腐蝕介質在銅表面的潤濕性更差，腐蝕速度隨之減弱。同時值得注意的是，在實驗過程中我們發現當溫度降低，陽極氧化的時間也會相應地增加，故在實際應用過程中陽極氧化的溫度不宜過低。

（五）陽極氧化電流密度的影響

為了探究陽極氧化過程中，陽極氧化電流密度對形成的銅表面的浸潤性和腐蝕性能的影響，我們在電流密度分別為3、9、10、11、20 mA/cm2的情況下對銅片進行了陽極氧化，而保持其余實驗條件不變，并對制備得到的樣品的浸潤性和耐腐蝕性進行了表征。

水接觸角測試表明，隨著電流密度的增大，水接觸角逐漸降低，超疏水性逐漸減弱，甚至當電流密度過大（i=20 mA/cm2）時，表面接觸角小于150°，不再表現出超疏水的性質。同時，隨著電流密度的降低，銅表面表現出更強的超疏水性質，腐蝕介質不易浸潤銅片表面，因此極化曲線表明腐蝕電流密度逐漸下降，耐蝕性有一定的提高。

三、結論

通過在強堿溶液中進行陽極氧化，使得銅片表面生長出納米針狀陣列結構，提高了銅表面的粗糙度；同時利用低表面能的有機硅氟烷對獲得的具有納米結構的表面進行修飾，成功制備得到具有超疏水性質的銅表面，這種獨特的超疏水性質使得腐蝕介質不易浸潤銅表面，使得銅片在高鹽分水性環境下的耐蝕性能大大提升。另外我們還發現陽極氧化過程中的電解液溫度和電流密度都會對最終獲得的銅表面的浸潤性和耐蝕性產生影響，較低的溫度和較低的電流密度會利于表面超疏水性的提高，但影響都十分有限。

參考文獻

[1]劉為凱等，超疏水銅表面的電化學制備及其耐腐蝕性能.武漢紡織大學學報，2016（06）：第67-71頁.

[2]李天，銅基超疏水表面的仿生構建及其性能研究，2017，吉林大學.第 87頁.

[3]熊靜文，朱繼元與胡小芳，超疏水銅表面的制備及其耐腐蝕性能研究.涂料工業，2017.47（9）：第12-17頁.

[4]趙歡等，金屬防護用超疏水表面主要制備方法及應用研究進展.表面技術，2015（12）：第49-55+97頁.

[5]錢鴻昌，李海揚與張達威，超疏水表面技術在腐蝕防護領域中的研究進展.表面技術，2015（3）：第15-24，30頁.

[6]Feng，X.J.and L.Jiang，Design and Creation of Superwetting/Antiwetting Surfaces，Adv.Mater.2006，18，3063–3078

[7]Wu，X.，et al.，Copper Hydroxide Nanoneedle and Nanotube Arrays Fabricated by Anodization of Copper， J.Phys.Chem.B，Vol.109，No.48，2005

通訊作者：高旸欽

資助項目：中國石油大學（北京）科研基金資助（No.2462017YJRC014）；中國石油大學（北京）科研基金資助（No.2462018BJC005））；中國石油大學教改項目“《表面技術概論》課程教學中的創新創業教育”。