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受到荷葉“超疏水表面”的啟發(fā)，給鎂鋰合金材料穿上了一層防腐“防護(hù)服”，增強(qiáng)了材料的抗腐蝕性能，使其可廣泛應(yīng)用在航空裝備、航天裝備等重大工程部件上。近日，在哈爾濱工程大學(xué)化學(xué)院老師巫瑞智、閔譯萱、張景懷和機(jī)電學(xué)院老師周瑩的指導(dǎo)下，方子銘、張弛、曹江琪、何良緒、曹明宇、鄭佳明等15位本科學(xué)生完成的“鎂翎科技——新一代超疏水輕型強(qiáng)韌鎂鋰合金領(lǐng)跑者”項(xiàng)目，打造微弧氧化超疏水鎂鋰合金，實(shí)現(xiàn)了鎂鋰合金在極端惡劣環(huán)境長(zhǎng)時(shí)間服役。該項(xiàng)目在中國(guó)國(guó)際大學(xué)生創(chuàng)新大賽中收獲本科生創(chuàng)意組金獎(jiǎng)，項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)作為全國(guó)十佳金獎(jiǎng)代表上臺(tái)領(lǐng)獎(jiǎng)。目前，該項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)基于微弧氧化超疏水鎂鋰合金相關(guān)研究發(fā)表了3篇SCI論文，申請(qǐng)了3件國(guó)家發(fā)明專利，其中1件專利已獲授權(quán)。

師生一拍即合

為材料“穿上防護(hù)服”

“一代材料，一代裝備。”巫瑞智老師的這句話，給團(tuán)隊(duì)隊(duì)長(zhǎng)方子銘留下了深刻印象。在航空航天裝備領(lǐng)域，材料輕量化是永恒的發(fā)展主題，能提高運(yùn)力、節(jié)能減排、降低成本、帶來(lái)直接利潤(rùn)。中國(guó)航天事業(yè)奠基人錢學(xué)森曾說(shuō)過(guò)：“航天器一個(gè)零件減少一克重量都是貢獻(xiàn)。”

鎂鋰合金作為世界上最輕的金屬結(jié)構(gòu)材料，具有良好的阻尼減震性能和良好的塑性變形能力等優(yōu)點(diǎn)，是航天部件輕量化的理想材料，且其具有較高的性價(jià)比和豐富的上游資源儲(chǔ)備，有廣闊的市場(chǎng)前景。但是鎂鋰合金極易腐蝕，這使其在應(yīng)用時(shí)受到了很大的限制。

2022年，剛上大二的方子銘敲開(kāi)了巫瑞智老師辦公室的門，說(shuō)出了自己想要投身科研的想法。“優(yōu)秀的科創(chuàng)學(xué)生培養(yǎng)是一個(gè)雙向奔赴的過(guò)程，學(xué)生的積極進(jìn)取和老師的育人情懷是相輔相成的。只要學(xué)生有科研的興趣，學(xué)院和老師會(huì)無(wú)條件支持他們。”巫瑞智這樣回憶自己與方子銘的“初見(jiàn)”。

結(jié)合個(gè)人研究方向，巫瑞智給方子銘提出了“設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)具有工程應(yīng)用價(jià)值的耐腐蝕鎂鋰合金防護(hù)技術(shù)”這一課題。“鎂和鋰都是活潑金屬，能與氧氣和水蒸氣發(fā)生化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生疏松多孔的氧化膜等腐蝕產(chǎn)物，與鋁和銅等金屬相比，其表面無(wú)法形成具有耐腐蝕性的氧化膜層，若基體沒(méi)有防護(hù)，鎂鋰合金會(huì)迅速腐蝕導(dǎo)致失效。找到控制鎂鋰合金腐蝕的有效途徑，將助力鎂鋰合金突破現(xiàn)在的應(yīng)用瓶頸。”

小荷才露尖尖角

抗腐蝕性能再上新臺(tái)階

方子銘與學(xué)院里對(duì)科研感興趣的同學(xué)組成了鎂翎科技團(tuán)隊(duì)，一起開(kāi)始攻關(guān)。擺在他們面前的第一道“門檻”，便是要大量閱讀英文文獻(xiàn)，了解鎂鋰合金腐蝕機(jī)理以及不同類型表面防護(hù)涂層的制備方法、研究現(xiàn)狀、優(yōu)缺點(diǎn)等等。“還有一道難關(guān)，是一些基礎(chǔ)知識(shí)和基本專業(yè)概念，我們還沒(méi)有學(xué)到。”方子銘補(bǔ)充道，與研究課題相關(guān)的專業(yè)課在大二下學(xué)期才開(kāi)設(shè)，這個(gè)課題對(duì)于剛上大二的他們來(lái)說(shuō)屬于超綱問(wèn)題。靠著對(duì)科研的熱情和初生牛犢不怕虎的沖勁，這群平均年齡20歲的年輕人，一邊自學(xué)專業(yè)知識(shí)，一邊在巫瑞智教授課題組博士生的耐心引導(dǎo)下開(kāi)展實(shí)驗(yàn)。

為抑制絲狀腐蝕和電偶腐蝕，團(tuán)隊(duì)決定通過(guò)優(yōu)化合金成分與固溶熱處理工藝，從合金內(nèi)部提升其抗腐蝕性能。團(tuán)隊(duì)花費(fèi)一年時(shí)間，先后調(diào)控了100多種成分配比，才最終確定了鋅、釔元素比的合適區(qū)間。

在優(yōu)化合金成分的基礎(chǔ)上，團(tuán)隊(duì)對(duì)比了不同固溶處理時(shí)間和溫度對(duì)于抗腐蝕性能的影響，最終獲得了對(duì)腐蝕抑制效果最好的固溶處理參數(shù)。從兩個(gè)方面入手，他們?cè)O(shè)計(jì)的合金內(nèi)部雙腐蝕抑制技術(shù)，讓鎂鋰合金腐蝕電流密度綜合提升1個(gè)數(shù)量級(jí)。

“目前的研究都是提升合金內(nèi)部抗腐蝕性能，如果我們進(jìn)一步在合金表面改性，能不能讓抗腐蝕性能再上一個(gè)臺(tái)階呢？”看著雨后校園里層層疊疊的碧綠荷葉，一個(gè)大膽的聯(lián)想在方子銘心中逐漸清晰。

“荷葉表面具有粗糙的微觀形貌以及疏水的表皮蠟，水滴在荷葉上形成一個(gè)球形，而不是鋪展開(kāi)來(lái)，這樣的表面叫做‘超疏水表面’。如果我們給鎂鋰合金表面也涂上一層‘超疏水表面’，讓液體接觸到表面后直接滑落，它的抗腐蝕性能不就可以進(jìn)一步提高了？”帶著自己的設(shè)想，方子銘再次找到巫瑞智老師，得到了巫老師的鼓勵(lì)：“超疏水技術(shù)在鎂鋰合金材料上的應(yīng)用正處于起步階段，如果能潛心鉆研，相信一定能有所突破。”

攻關(guān)關(guān)鍵技術(shù)

防護(hù)效果比肩高水準(zhǔn)

制備鎂鋰合金表面超疏水膜層，核心是要獲得符合標(biāo)準(zhǔn)的材料表面接觸角，要想膜層達(dá)到超疏水標(biāo)準(zhǔn)，需要將表面接觸角做到120°以上。方子銘帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)依據(jù)現(xiàn)有常見(jiàn)超疏水膜層的材料配比，一步步摸索最適合鎂鋰合金表面的配方。歷經(jīng)一年半的時(shí)間，團(tuán)隊(duì)先后試驗(yàn)了100多種“配方”，最終將表面接觸角做到了163°，加上了超疏水表面的鎂鋰合金，相比普通鎂鋰合金，表面接觸角增大8倍。為了讓超疏水膜層牢牢“抓緊”鎂鋰合金，團(tuán)隊(duì)又通過(guò)微弧氧化技術(shù)將鎂鋰合金制造出粗糙多孔的表面，添加碳化硼等納米粒子，實(shí)現(xiàn)超疏水表面與鎂鋰合金更好的結(jié)合。

經(jīng)第三方檢測(cè)機(jī)構(gòu)檢測(cè)顯示，團(tuán)隊(duì)制備的超疏水表面涂層與其他表面防護(hù)處理方法相比，腐蝕防護(hù)能力與現(xiàn)階段最高水平基本相當(dāng)。

本科生項(xiàng)目受青睞

達(dá)成1120萬(wàn)元意向訂單

“鎂翎科技團(tuán)隊(duì)研制的鎂鋰合金材料突破了鎂鋰合金耐腐蝕性差的難題，滿足了中國(guó)鎂產(chǎn)業(yè)升級(jí)和航空航天等領(lǐng)域輕量化需求。我相信該團(tuán)隊(duì)可為中國(guó)新材料產(chǎn)業(yè)的建設(shè)作出重要貢獻(xiàn)。”國(guó)際頂級(jí)專家這樣評(píng)價(jià)鎂翎科技團(tuán)隊(duì)的項(xiàng)目。

微弧氧化超疏水鎂鋰合金防腐和輕量化效果明顯，可應(yīng)用于航空航天、武器裝備等領(lǐng)域的零部件制作，用其制作的航天器控制單元?dú)んw，重量能夠減輕40%~50%，目前，已有4家企業(yè)與團(tuán)隊(duì)共計(jì)簽署了1120萬(wàn)元的零件預(yù)售訂單。

去年5月份，鎂翎科技團(tuán)隊(duì)作為黑龍江省唯一受邀的本科生創(chuàng)業(yè)團(tuán)隊(duì)，帶著產(chǎn)品參加了黑龍江省科技活動(dòng)周，并受到前來(lái)參觀的專家鼓勵(lì)：“學(xué)生團(tuán)隊(duì)今天科創(chuàng)的一小步，可能就是明天科技事業(yè)發(fā)展的一大步。”

回想專家的話，方子銘感觸良多，成功離不開(kāi)指導(dǎo)老師和師兄師姐的耐心幫助，離不開(kāi)學(xué)校、學(xué)院的鼓勵(lì)支持，無(wú)論多晚發(fā)到指導(dǎo)老師手里的答辯材料，總能在第二天早上8點(diǎn)前就得到反饋意見(jiàn)。未來(lái)，團(tuán)隊(duì)將進(jìn)一步探究微弧氧化膜層的熱控性能，更好地滿足成果在航空航天等領(lǐng)域的應(yīng)用。成員們也將以一貫的熱愛(ài)與堅(jiān)持，在自己追夢(mèng)的道路上大踏步地走下去。