基于FEP摻雜激光誘導石墨烯的超疏水電熱防冰涂層

1成果簡介

在極端低溫環境下，結冰問題長期困擾航空、輸電、風電及交通系統。傳統機械除冰和化學融冰方式能耗高、維護復雜，難以滿足輕量化和高效化需求。如何實現“主動加熱 + 被動抗冰”協同防護，成為當前材料領域的重要課題。近日，中國民用航空飛行學院趙欣教授、鐘勉副教授等研究人員在《Journal of Materials Science》期刊發表題為“Superhydrophobic and electrothermal anti-icing performance of FEP?doped laser-induced graphene coatings”的論文，研究通過提出將氟化乙烯丙烯共聚物（FEP）納米粒子分散于電子氟化液（FA）中，通過噴涂輔助化學氣相沉積法，結合熱固化處理對激光誘導石墨烯（LIG）進行摻雜改性，成功構建了兼具微/納分級結構及低表面能的FEP/FA-LIG復合涂層。

研究對原始LIG、FA-LIG及FEP/FA-LIG的微觀形貌、元素組成、化學態及缺陷結構進行了SEM、AFM、EDS、XPS、Raman及FTIR表征，闡明了FEP摻雜對表面粗糙度重建及氟官能團接枝的協同增效機制。在此基礎上，系統評估了三種樣品的疏水性、結冰延遲、電熱響應及循環除冰穩定性，實現：

• 構建穩定的Cassie-Baxter潤濕狀態
• 顯著延長結冰延遲時間、提升除冰效率
• 實現快速電熱響應與均勻升溫
• 提升抗結冰與除冰效率

該工作為LIG基多功能防冰涂層的低成本、綠色化、規模化制備提供了全新策略。

2圖文導讀

圖1 FEP-LIG復合涂層制備流程示意圖

研究首先通過激光掃描聚酰亞胺（PI）薄膜表面原位制備多孔 LIG 結構，隨后采用 FEP/FA 溶液進行噴涂處理并經熱處理固化，最終獲得兼具分級結構和低表面能的超疏水復合涂層。

圖2 不同激光參數下LIG形貌表征

AFM 和 SEM 結果表明，原始 LIG 具有典型的多孔石墨烯網絡結構；引入 FA 后，表面趨于更均一平整；進一步摻雜 FEP 納米顆粒后，表面重新形成更明顯的微/納復合粗糙結構。這種分級結構為后續超疏水界面的形成提供了關鍵形貌基礎。

圖3-圖5 微觀結構與元素/化學組成分析

通過 EDS、Raman、XPS 和 FTIR 等表征手段，系統揭示了 FEP/FA 對 LIG 表面組成和化學狀態的調控作用。EDS 結果表明，碳、氧、氟等元素在復合涂層表面分布較為均勻，說明 F 元素已成功引入 LIG 表面。Raman 光譜中可觀察到典型的 D、G 和 2D 峰，證明激光成功誘導形成石墨烯結構；同時，摻雜改性后 ID/IG 與 I2D/IG 比值的變化表明，表面改性不僅影響了石墨烯的缺陷程度，也調控了其多層結構和表面微納形貌。XPS 測試進一步證實了含氟官能團的引入，尤其是 CF?、CF? 等特征鍵信號的出現，說明 FEP/FA 成分已穩定結合于 LIG 表面。FTIR 結果與 XPS 相互印證，進一步表明復合改性有效構建了富含氟基團的低表面能界面，為材料獲得優異疏水與防冰性能奠定了化學基礎。

圖6-圖7 表面潤濕性與自由能分析

通過接觸角、滾動行為及表面自由能分析，系統評估了不同樣品的潤濕性能。結果表明，與原始 PI 和 LIG 相比，FEP/FA-LIG 表現出最優異的疏水性能，其水接觸角達到 150.1°，達到超疏水表面標準。進一步分析發現，經過 FA 和 FEP 協同改性后，樣品表面自由能顯著降低，同時保持了較高的表面穩定性。滾動行為測試表明，FEP/FA-LIG 表面水滴雖具有較高接觸角，但仍表現出一定黏附特征，呈現出類似“玫瑰花瓣效應”的高黏附超疏水狀態。這說明該表面不僅成功構建了微/納分級粗糙結構，還形成了穩定的低表面能界面，有利于延緩結冰并提升防冰性能。

圖8 抗冰與除冰性能驗證

在低溫條件下，原始 LIG、FA-LIG 和FEP/FA-LIG 的結冰行為表現出明顯差異。其中，FEP/FA-LIG 的完全結冰時間延長至343 s，較原始 LIG 顯著提高，表明其在延緩冰核形成和抑制冰層快速生長方面具有明顯優勢。除冰測試表明，在外加電壓作用下，該復合涂層能夠實現更高效的電熱除冰。

圖9 電熱性能測試

紅外熱成像結果顯示，FEP/FA-LIG 涂層在低電壓驅動下即可實現快速、均勻升溫。在 7 V 條件下，其最高溫度可達 120.0 ℃，并在極短時間內達到峰值，表現出優異的電熱轉換效率和快速響應能力。

3小結

實驗結果表明，FEP/FA-LIG復合涂層具有優異超疏水性（接觸角150.1°）、極長結冰延遲時間（343 s）及快速電熱響應（7 V下3 s內達120℃）。其綜合性能較原始LIG提升顯著：結冰延遲提高4.57倍，加熱響應縮短2–6倍，極限升溫提升1.5-2倍。該涂層在多次除冰循環后仍保持穩定疏水特性，有效解決了傳統LIG疏水衰減與熱效率不足的瓶頸。該方案兼具原料易得、工藝簡單、環境友好等優勢，為航空器部件、汽車外飾、電力設施等領域的高效防冰/除冰表面設計提供了兼具理論深度與工程潛力的新路徑。

全文鏈接：
https://doi.org/10.1007/s10853-025-11994-0

來源：材料分析與應用