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Zhao, Z., Li, X., Li, W. et al. Progress in mechanism design of functional composites for anti-ice/deicing materials. Surf. Sci. Tech. 2, 2 (2024).
结冰作为生活中规律性的自然现象，严重威胁着人类的生产生活，传统的机械除冰、化学除冰等方法存在高污染、高能耗、效率低等缺点，限制了其在上述方法现场的适用性和有效性。随着近年来全球经济活动的扩大，解决结冰问题已经迫在眉睫。
因此，研究人员对防冰的相关研究也逐渐深入。受荷叶效应、垃圾、极地、海洋贝类等自然生物的启发，防冰/除冰涂料可以通过表面微纳米结构和材料的物理化学性质设计出功能性仿生。超疏水设计是基于Young润湿方程、Wenzel润湿方程以及液滴与表面形成的界面的超疏水行为Cassie-Baxter模型，防止液滴扩散渗透形成热交换。其物理化学性能是基于涂层内部化学介质的缓释行为，具有超润滑和防冻等性能，减少了液滴在表面的停留时间和成核温度。涂层通过超低界面润湿、界面滑移、降低液滴凝固点等被动手段有效阻断结冰行为的发生，成为研究的热点方向。同时，光热、电热、相变等主动防冰效果与被动防冰效果发挥协同互补作用，进一步增强涂层的防冰效果。为了明确防冰/除冰表面的设计机理和制备工艺，本文首先根据不同的作用机理对涂层进行了分类和介绍，并总结了仿生超疏水设计、牺牲型物理化学特性。本文首先根据不同的作用机理对涂料的功能类型进行了分类和介绍，并综述了防冰涂料机理设计及其性能改性的最新研究进展，如仿生超疏水设计、牺牲理化性能设计、微区模量控制设计和多因子耦合设计等。对现有涂层机理设计中存在的功能单一、性能不平衡等问题进行了分析和讨论，并对疏冰涂层的发展趋势和发展应用前景提出了看法。
图1.喷涂法制备FSC/PDMS/SiO2-F复合涂层工艺;b不同SiO2摩擦条件下WCA和SA的粒径分布及变化;c涂层自洁(I)和防污(II)性能示意图;d FSC/PDMS/SiO2-F复合涂层的防冰性能。
图3. 聚四氟乙烯表面构建的Cocklebur和Cocklebur西伯利亚状结构的微观形貌和疏水性。
图4. a超快激光复合法制备三级微纳超疏水表面的微观结构;b三级微纳米级超疏水表面上冷凝液滴的梯度冷凝和合并引起自跳现象;c三级微纳米级超疏水表面Cassie态稳定性及抗消冰性能表征。
图5. a FAS与氟表面活性剂形成双疏相互作用，等离子体蚀刻形成自愈表面;b Ni-Al LDH形成微观纳米孔阵列结构，表现出优异的超疏水性，接触角为162.1±0.4°，水热反应自愈过程。
图6. 液体润滑下涂覆slip的多孔仿生结构示意图[51];b滑移改性表面的双稳态过渡机理和疏水性;c Y-SLIPS涂层内部结构及锁油机构。
图7. “内源性”滑移体结构的设计与性能:滑移体结构的逆向制备路线;b三元分相体系一步法制备slip涂层示意图及涂层的宏观/微观形貌;c聚丙烯在二甲基硅油和辛基硅油中溶解行为的分子动力学模拟;d涂层体系中聚合物与润滑剂的微观相分离过程;e SLIPS涂层的疏水性和抗粘附性能。
图8. 多功能防冰水凝胶表面的仿生设计;b EH表面润滑层自生机理及抑核作用;c昆虫防冻蛋白的表面固定化方式及其防冻性能;d由于聚多巴胺儿茶酚组分与钢之间的金属螯合能力;e仿生自愈型防冰涂层的防冰机理及性能。
图9. a在微外力作用下，由于第二相形成的界面裂缝，冰盖很容易与第二相分离;b液滴在所有弹性衬底接触处快速回弹，在衬底其他部位缓慢或无回弹;c刚性纳米复合材料产生应力集中位点。
图10. a强度与韧性控制断裂[72];b LIT材料的韧性只有铝的1/15;c LIT材料的大规模试验[69]
图11. a纯树脂膜、蚀刻前复合膜的红外热像;b氙灯照射下激光蚀刻后的复合膜;c沉积Fe3O4 NPs和聚多巴胺得到的PSP-SPONGE的结构和组成。
图12. a交联剂METES在70℃DBTDL催化水解，HO-PDMS-OH和Si-OH基团发生缩合反应，形成设计的共聚网络;b冰的粘附强度仅为18kPa，在阳光照射下涂层表面温度可达46℃;c上覆冰的光热效应在300秒内融化，并在重力作用下滑落。
图13. a PVDF、CNT、SiO2纳米团簇和F-SiO2纳米团簇的分散行为和建模过程;b不同浓度喷涂溶液下超疏水膜加热器的静态接触角和表面形貌;c环境温度为-10℃、-20℃、-30℃时加热阶段的拟合电热性能曲线;d环境温度为-10℃时，两种膜在负载功率下的加热除冰效果;e不同温度下液滴在超疏水表面的冻结过程延迟时间;f超疏水膜(包括PVDF膜、PVDF@CNT膜、PVDF@EVA@CNT膜)的胶带剥离及耐磨性试验。
图14. a原位聚合制备MPCM和浸涂MPCM/PRTV涂层示意图;b mpcm的尺寸分布及正十四烷、MUF树脂和mpcm的FTIR光谱;c添加和不添加成核剂时正十四烷和mpcm的DSC加热和冷冻曲线;d 15次除冰前后MPCM/ PRTV涂层CA、显微照片、水滴冻结时间、冰粘强度的变化。
https://doi.org/10.1007/s44251-023-00033-2
相应的成果以“Progress in mechanism design of functional composites for anti-ice/deicing materials”为题发表在Surface Science and Technology上，通讯作者为赵远涛副教授。
中国民用航空飞行学院何强教授团队依托高高原航空安全验证实验室与四川省全电通航飞行器关键技术工程研究中心等省重平台，主要研究方向为表面防除冰，航空橡胶密封等。欢迎相关文献投稿，交流合作。
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