Small | 光熱超疏水防/除冰技術(shù)：機(jī)遇與挑戰(zhàn)

背景介紹

冰雪是冬季的常見景象，但對于輸電線路、風(fēng)力葉片、機(jī)翼等戶外設(shè)備而言，積冰卻是一場不容忽視的“白色災(zāi)難”。開發(fā)低能耗、高效率的被動防/除冰技術(shù)，可有效降低防除冰過程所需能耗及污染，成了當(dāng)前研究的熱點(diǎn)。受荷葉效應(yīng)啟發(fā)，超疏水表面因獨(dú)特的固液接觸狀態(tài)，在防/除冰領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大潛力。但單一超疏水表面在低溫高濕環(huán)境下并不穩(wěn)定：水蒸氣會在微納結(jié)構(gòu)中冷凝，破壞空氣層，使?jié)櫇裥詮姆€(wěn)定的Cassie態(tài)滑向高粘附的Wenzel態(tài)，防冰性能隨之失效。此外，光熱轉(zhuǎn)換過程將太陽能直接轉(zhuǎn)化為熱能，為表面提供被動加熱方案，但傳統(tǒng)光熱材料多具親水性，長期戶外使用易被水、塵污染，導(dǎo)致性能下降。將超疏水性與光熱效應(yīng)集成的光熱超疏水表面，既能通過光熱效應(yīng)升溫抑制結(jié)冰，又能利用超疏水性降低冰層附著力、促進(jìn)融冰滑落，成為一種極具潛力的被動防/除冰技術(shù)。

成果展示

基于此，中南大學(xué)能源科學(xué)與工程學(xué)院陳梅潔副教授等人系統(tǒng)梳理了光熱超疏水防/除冰技術(shù)的發(fā)展、協(xié)同設(shè)計與未來機(jī)遇，試圖為從實(shí)驗(yàn)室走向?qū)嶋H應(yīng)用提供理論指導(dǎo)。首先，從結(jié)冰與結(jié)霜的基本物理過程入手，分析了液滴凝固的四階段（過冷、再輝、等溫凝固、冷卻）與霜層蔓延的冰橋傳播機(jī)制，指出了界面溫度調(diào)控與潤濕性設(shè)計是實(shí)現(xiàn)被動防/除冰的關(guān)鍵。系統(tǒng)分析了光熱轉(zhuǎn)換與超疏水表面的協(xié)同設(shè)計原則。光熱設(shè)計思路，重點(diǎn)對比了非選擇性與選擇性吸收表面的差異。通過分析Cassie-Baxter態(tài)與Wenzel態(tài)的潤濕性轉(zhuǎn)變機(jī)理，提出了在結(jié)冰-融冰循環(huán)中實(shí)現(xiàn)自發(fā)去潤濕轉(zhuǎn)變的設(shè)計思路：多尺度結(jié)構(gòu)的構(gòu)建是實(shí)現(xiàn)超疏水性與光熱性能協(xié)同調(diào)控的關(guān)鍵。核心矛盾在于：超疏水所需的微納粗糙結(jié)構(gòu)會增強(qiáng)中紅外吸收，破壞光譜選擇性?；诖?，總結(jié)了兩類解決策略——在金屬基底上噴涂疏水吸光層，或在光熱層上覆蓋低發(fā)射率材料再修飾疏水層，從而實(shí)現(xiàn)光譜選擇性與超疏水性的平衡。

其次，面向復(fù)雜應(yīng)用場景，探討了功能性光熱超疏水結(jié)構(gòu)的拓展路徑。針對低光照或夜間場景，將相變儲熱材料與電熱輔助功能集成于表面，利用相變材料儲存日間余熱、夜間釋放，或通過電熱系統(tǒng)在極端條件下快速響應(yīng)，實(shí)現(xiàn)全天候防/除冰。針對建筑玻璃、光伏面板等對透光性有嚴(yán)格要求的場景，總結(jié)透明光熱超疏水表面的設(shè)計策略——選擇性吸收紫外/近紅外波段、透過可見光，同時兼顧超疏水性與低發(fā)射率，為智能建筑與汽車玻璃的節(jié)能防冰提供新方案。

最后，針對光熱超疏水表面應(yīng)用過程中的挑戰(zhàn)：長期穩(wěn)定性、環(huán)境適應(yīng)性、規(guī)?；苽渑c性能評價標(biāo)準(zhǔn)化。在穩(wěn)定性方面，總結(jié)了鎧甲式保護(hù)結(jié)構(gòu)、犧牲層、耐候性粘結(jié)劑及激光原位氧化等策略；在環(huán)境適應(yīng)性方面，分析了超低溫高濕、低太陽輻射及夏季過熱工況的應(yīng)對方案，提出通過智能響應(yīng)材料實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)熱管理的思路；在規(guī)?；苽浞矫妫赋隽舜竺娣e均勻性、復(fù)雜曲面適應(yīng)性及成本控制的難點(diǎn)，展望了卷對卷工藝、機(jī)器人輔助噴涂等先進(jìn)制造技術(shù)的應(yīng)用前景；在標(biāo)準(zhǔn)化方面，對比了當(dāng)前冰粘附力、結(jié)冰延遲時間等測試方法的差異，亟需建立統(tǒng)一測試標(biāo)準(zhǔn)，促進(jìn)其從實(shí)驗(yàn)室走向市場。

本文從多學(xué)科交叉的視角，構(gòu)建了超疏水光熱防/除冰技術(shù)的理論框架與技術(shù)發(fā)展路線。未來，通過工程熱物理、材料科學(xué)、機(jī)械工程與人工智能的深度融合，開發(fā)低成本、高耐久、智能響應(yīng)的新一代光熱超疏水表面，并建立標(biāo)準(zhǔn)化的性能評價體系，有望推動這一綠色、高效的防/除冰技術(shù)從實(shí)驗(yàn)室走向大規(guī)模工程應(yīng)用，為航空航天、風(fēng)力發(fā)電、電力傳輸及建筑節(jié)能等領(lǐng)域提供可靠的被動防冰解決方案。相關(guān)研究成果以“Superhydrophobic Solar Thermal Anti?Icing/Deicing: Opportunities and Challenges”為題發(fā)表于期刊Small，第一作者為碩士生姚保健，通訊作者為中南大學(xué)陳梅潔副教授。

該工作是團(tuán)隊(duì)近期關(guān)于光熱利用技術(shù)最新進(jìn)展之一。近幾年，在光熱領(lǐng)域，基于脫合金（ACS Applied Energy Materials, 2019, 2(9): 6551-6557）、電鍍（Applied Physics Letters, 2023, 122(6): 063301）、原位氧化（ACS Applied Energy Materials, 2023, 6(21): 10943-10950）實(shí)現(xiàn)了單組分、易拓展與高溫穩(wěn)定的光熱選擇性吸收涂層，拓展了其在光熱蒸發(fā)淡水收集（Nano Letters, 2024, 24, 50, 16143-16150; Advanced Functional Materials, 2025, 35(52): e07761）、光熱除/防冰（Small, 2024, 20(32): 2312226; Advanced Functional Materials, 2025, 35(33): 2501463; Advanced Functional Materials, 2026, e31022）領(lǐng)域的應(yīng)用。

圖1 光熱超疏水防/除冰技術(shù)研究框架

圖2 結(jié)冰結(jié)霜機(jī)理與被動防/除冰策略

圖3 光熱超疏水表面協(xié)同設(shè)計

圖4 多功能光熱超疏水防/除冰表面設(shè)計

圖5 光熱超疏水表面應(yīng)用挑戰(zhàn)

https://doi.org/10.1002/smll.73254