西北工业大学陈强Composites Science and Technology：碳纳米管诱导的抗冰/除冰超疏水光热涂层具有长期耐久性和自补充性能

引用格式：

Deng, Lechun, et al. "CNTs-induced superhydrophobic and photothermal coating with long-term durability and self-replenishing property for anti-icing/de-icing." Composites Science and Technology 245 (2024): 110347.

尽管近年来已经开发了许多防冰涂层策略，但制备有效防冰和除冰的坚固耐用表面仍然是一个巨大的挑战。本研究将介孔二氧化硅纳米颗粒(mSiO₂)负载高剂量聚二甲基硅氧烷(PDMS)制备疏水性PDMS@mSiO₂聚体，然后将其与碳纳米管(CNTs)结合到硅树脂基体中，通过一步喷涂法构建近红外响应的防冰/除冰涂层。PDMS@mSiO₂颗粒赋予涂层微尺度的粗糙度和低表面能，CNTs补充形成微纳层次结构，增强了涂层的拒水性和光热性能。结果表明，制备的涂层具有超疏水特性，接触角高达154.3°，在20℃下延迟冻结时间为440 s，是铝板的73倍。此外，所制备的涂层在各种恶劣环境条件下均表现出良好的抗冰性能，该表面具有鲁棒性和长期耐久性，有望用于旋转机翼的抗冰和除冰。

_{图1. 制备PDMS@mSiO2颗粒的示意图。}

_{图2. (a)纯mSiO2， (b) PDMS@mSiO2颗粒的SEM图像。(c) FTIR光谱。(d)二氧化硅的N2吸附-解吸等温线。(e) PDMS@mSiO2颗粒的N2吸附-解吸等温线。(f)为mSiO2的比表面积、平均孔径和孔体积，PDMS@mSiO2，表明PDMS加载后mSiO2的比表面积和孔体积逐渐减小。}

图3. 不同碳纳米管含量的PSC涂层的SEM图像，(a, f) PSC-0， (b, g) PSC-0.5， (c, h) PSC-1.0， (d, i) PSC-1.5和(e, j) PSC-2.0。

图4. (a)静态接触角和滚转角;(b)水滴冻结时间;(c)裸基材和不同PCS涂层的结冰量。

图5. (a)裸基材和PSC涂层的实时表面温度随时间的变化。(b)近红外开/关循环时PSC-1.0涂层的表面温度。(c)裸基材和PSC涂层在近红外照射和非近红外照射下的冰附着强度。(d)光热除冰过程在裸基板和PSC涂层上的光学图像。

图6. 自制旋翼除冰装置除冰阶段示意图，包括成冰、旋转3min、近红外辐照下再旋转3min，以及纯基板和PSC-1.0涂层上的冰层图像。

图7. 测定了PCS-1.0涂层在3.5 wt% NaCl溶液中浸泡24h时的接触角。(b) PCS-1.0涂层在机械磨损过程中的接触角，以及涂层在机械磨损100次循环前后的SEM图像。(c) PSC-1.0涂层的接触角随喷水周期的变化。(d)喷砂前后PCS-1.0涂层的接触角和冻结时间，插图为相应的侵蚀区三维地形。

总结与展望

本文采用一步喷雾的方法，在硅树脂基体上成功制备了由PDMS@mSiO₂和碳纳米管组成的超疏水防冰涂层。由于PDMS@mSiO₂与CNTs构建的微纳层次结构和CNTs的光热效应，涂层具有被动防冰和光热除冰的性能。在胶带剥离过程中，所有PCS涂层均表现出优异的粘接强度。当环境温度从-5℃降至-20℃时，PCS-1.0涂层的最大接触角为154.3°，最小滚转角为8±0.8°，结冰量最小，最长冻结时间为3856 s ~ 440 s。此外，含有碳纳米管的涂层在近红外辐射下可以快速加热，导致结冰粘附显著降低，从而导致冰层融化。有趣的是，PCS涂层暴露于化学蚀刻和严重的机械磨损后仍保持其超疏水性。最后，在动态模式下观察了PCS-1.0涂层旋翼的快速除冰，证实了其在恶劣工作环境下防冰的适用性。

原文链接：https://doi.org/10.1016/j.compscitech.2023.110347

相应的成果以“CNTs-induced superhydrophobic and photothermal coating with long-term durability and self-replenishing property for anti-icing/de-icing”为题发表在Composites Science and Technology上，文章的通讯作者是西北工业大学的陈强教授。

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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