水滴也能“击穿”防腐涂层？ Nature揭示一种被忽略的腐蚀机制

户外金属构件涂上防腐涂层后，仍可能在反复淋雨的位置出现局部损伤。除了水分和盐分的侵入，水滴本身携带的电荷也可能参与这个过程。2026年8月26日，Ni等在《Nature》发表的研究发现，水沿绝缘表面滑动时会获得电荷，随后接触覆膜金属时可能引起局部击穿，为腐蚀打开通道。[1] 研究者在石英上沉积35纳米铜层，再覆盖约60纳米厚的Teflon AF含氟聚合物膜。体积为35微升且含1毫摩尔/升氯化钠的水滴，在不带明显净电荷的情况下直接落到样品上，3000次冲击后表面仍较平整。若先让水滴沿绝缘表面滑动并获得约0.2—2纳库仑电荷，同样作用3000次后便会在初始接触位置留下明显损伤。

图1  电中性与带电水滴作用后的表面差异。a为直接滴落对照；b、c为滑动带电路径及损伤形貌；d为原子力显微镜图像和轮廓，部分缺陷深入铜层；e、f为接触前的水滴形态。

水滴滑动起电已有研究基础。Li等2022年在《Nature Physics》报道，即使表面的化学组成相同，基底的导电性和厚度也会影响水滴运动，在低介电常数基底上尤其能观察到静电力的作用。[2] 这次《Nature》研究追踪的是水滴获得电荷以后，接触涂层时会发生什么。 直接滴落与滑动后滴落的路径和落高并不相同，仅凭这组比较还不足以排除其他因素。研究者又让水滴滑过接地的改性导电玻璃，水滴此时保持近电中性，3000次作用后样品表面仍然完整。原子力显微镜在带电水滴作用区观察到的孔状缺陷，与这项补充对照共同支持了电荷参与损伤的判断。 测量显示，水滴滑过氟化石英后约带有＋2.0纳库仑电荷，接触样品时约有＋1.8纳库仑传入铜层，离开时仅剩约＋0.016纳库仑。高速摄影拍到的形态变化也很明显，带电水滴尚未接触涂层时底部已经出现尖锥，而电中性水滴的轮廓较为平滑。

图2  水滴接触样品前后的电荷测量。三个位置分别记录滑动后水滴、铜层接收及离开后水滴的电荷；柱状图为20次测量的均值及标准差。

按照作者提出的解释，水滴靠近金属时形成的局部电场会逐渐增强，一旦超过涂层能够承受的范围便可能引起介电击穿，使原本起绝缘作用的膜层出现损伤。反复放电使缺陷逐渐累积，水和其中的离子得以接触下方金属，随后的电化学腐蚀又会扩大受损区域。

图3  水滴放电模型。a为水滴、涂层与金属的关系；b、c为电容和电场随距离变化的计算。图中约10和50微米为选定材料参数下的模型估算，不能作为工业涂层的通用失效厚度。

孔洞的形貌还不足以说明材料发生了什么变化，研究者继续检查了受损涂层的化学结构和金属表面的产物。

图4  涂层变化与金属腐蚀的证据。a—c为聚苯乙烯膜的形貌、荧光及纳米红外结果；d—f为另一组铜箔样品经约50000次带电水滴作用后的SEM/EDS、拉曼和XRD结果。两组材料与作用次数不同。覆在铜表面的200纳米厚聚苯乙烯膜经3000次带电水滴作用后，损伤区出现了荧光和新的红外吸收特征。这些信号表明聚合物结构发生了变化，其中荧光对应的是涂层反应产物，不能将其当作铜已经腐蚀的直接证据。 金属腐蚀的实验换用了商用铜箔，表面仍覆有约60纳米Teflon AF膜，水滴中的氯化钠浓度提高到10毫摩尔/升。约50000次带电水滴作用后，铜箔上出现超过1毫米的腐蚀区。扫描电镜及能谱分析发现，损伤位置的氟和碳含量减少而氧含量升高，部分区域还能检测到氯。 要知道这些元素组成了什么物质，还需结合拉曼光谱和X射线衍射结果。拉曼光谱在不同位置识别出氧化亚铜和碱式氯化铜，衍射图中的相应弱峰也与之吻合。由于腐蚀产物只占样品的一小部分，图中占主导的仍是金属铜峰，这与局部已经发生腐蚀并不矛盾。 涂层受损后还能起多大的保护作用，可以从电化学阻抗谱（EIS）中继续观察。覆膜商用铜箔经历10000次带电水滴作用后阻抗明显下降，降幅大于在同浓度盐溶液中连续浸泡4小时的样品。按论文采用的等效电路拟合，涂层电阻由新制备时约9.8×10⁴欧姆降至2.1×10⁴欧姆，浸泡组则约为5.3×10⁴欧姆。 这意味着涂层阻隔外界介质的能力已经减弱，持续浸泡的结果也不能直接代表反复带电水滴作用后的表现。两组处理的接触时间并不完全相同，阻抗差异不能简单换算为水滴使腐蚀加快了多少。至于是否发生介电击穿，仍要回到前面的电荷测量和显微观察中寻找依据，阻抗下降本身无法独立证明这一机制。

图5  涂层屏障性能的电化学评价。比较裸铜、新制备涂层、盐水浸泡4小时及10000次带电水滴作用后的样品；a—c为阻抗谱，d、e为拟合电路。水滴及测试电解液均含10毫摩尔/升氯化钠。

水滴沿着同一片涂层流动也可能留下损伤。研究者在石英基底的局部区域沉积铜，然后用连续的Teflon AF膜覆盖整个表面；水滴滑过下方为石英的区域时获得电荷，到达铜层边界附近便发生局部放电。3000次滑动后出现的沟槽集中在边界附近，说明即使表面的膜层相同，下方基底的差别仍可能影响缺陷出现的位置。

图6  滑动水滴在异质基底边界处引发损伤。a—d展示连续含氟膜覆盖石英与铜区域时的结构、边界损伤及局部放电现象；e为另一聚苯乙烯膜体系的反射与荧光图。

涂层下面是什么材料，也会影响水滴怎样带电。Leibauer等2024年在《美国化学会志》发表的研究发现，玻璃上的疏水薄层与玻璃基底的化学组成都会影响滑动水滴的电荷，连续滴落达到电荷饱和状态后基底的影响尤其明显。[3] 这项研究并未直接测量腐蚀，却说明讨论水滴起电时有必要把涂层和基材放在一起考虑。 Hinduja等2026年在《Physical Review Letters》报道，在黏性作用相对表面张力较弱的低毛细数条件下，水滴自身电荷引起的润湿变化可与表面沉积电荷的影响在水滴后缘接触表面的位置相互补偿。[4] 这一现象提示，用于描述水滴铺展状态的接触角未必能完整反映电荷作用，对涂层带电风险的判断还需要电荷转移等信息。 对实际涂层检测来说，需要先弄清构件在使用中如何接触水。长期浸泡和雨水间歇流过表面的过程存在差别，试验条件应当尽量贴近需要解释的失效现象。样品若已出现针孔或局部腐蚀，可以从缺陷的位置和膜厚入手，通过显微观察及产物分析确定受损情况，再选择适当的腐蚀或电化学试验评价剩余防护能力。 论文中的样品主要是纳米级至微米级模型膜，水滴作用方式也经过专门设定。实际工业涂层是否会受到同样程度的影响，还要在相应材料和使用环境下验证，不能据此推算涂装构件的寿命。常规腐蚀试验仍能回答原有的性能问题，这项发现补充的是一种在特定工况下值得检查的损伤原因。 精川检测可围绕涂层的具体失效问题安排检测，结合膜厚测量与扫描电镜观察查找局部缺陷，再根据样品情况开展能谱及腐蚀产物分析，并配合腐蚀性能测试判断防护能力的变化。这些结果可用于分析局部缺陷的成因，帮助企业确定材料选用和涂装工艺是否需要调整。

参考文献 [1] Ni Z, Li X, Ratschow A D, et al. Spontaneously charged water drops induce corrosion. Nature, 2026, 657: 393–399. DOI: 10.1038/s41586-026-10941-6 [2] Li X, Bista P, Stetten A Z, et al. Spontaneous charging affects the motion of sliding drops. Nature Physics, 2022, 18: 713–719. DOI: 10.1038/s41567-022-01563-6 [3] Leibauer B, Pop-Georgievski O, Sosa M D, et al. How Surface and Substrate Chemistry Affect Slide Electrification. Journal of the American Chemical Society, 2024, 146(14): 10073–10083. DOI: 10.1021/jacs.4c01015 [4] Hinduja C, Leibauer B, Chaurasia R, et al. How Spontaneous Electrowetting and Surface Charge Affect Drop Motion. Physical Review Letters, 2026, 136: 194001. DOI: 10.1103/9mzt-v9cl 图片来源：本文图1—6均取自Ni等发表于Nature的文献[1]，© The Author(s) 2026，依CC BY 4.0许可使用。原始图号分别为Fig. 1、Fig. 2、Fig. 3、Fig. 4、Extended Data Fig. 9及Fig. 5。图片仅裁去页面正文与原英文图注，保留图内分图、标尺和图例；另配中文图注并重新编号，未修改实验图像或数据。 CC BY 4.0许可 服务信息：江苏精川材料检测研究有限公司检测项目