用于全天候防冰/除冰的光热与电热协同超疏水表面

飞机、电力线路、轨道交通及其他户外基础设施表面的结冰可能带来严重的安全隐患，并增加维护和能源成本。传统除冰方法通常依赖持续外部加热或化学除冰剂，而近年来发展的太阳能光热防冰表面又容易受到光照条件限制，在弱光或夜间环境下性能明显下降。

针对这一问题，研究团队开发了一种光热-电热协同超疏水表面 PTESS，希望通过被动防冰、太阳能光热加热和可控电热加热的结合，提高复杂环境中的全天候防冰除冰能力。受荷叶微纳分级结构启发，研究人员首先采用选区激光熔化技术，在铁基非晶合金基底上制备半球形微米结构；随后利用磁控溅射沉积纳米结构 WO₃ 薄膜，并进行可控退火处理。微米级半球结构和纳米级 WO₃ 表面结构共同形成分级微纳结构，可降低水滴与固体表面的有效接触面积，并在水滴下方保留空气层，从而形成结构诱导的 Cassie-Baxter 润湿状态。PTESS 的水接触角超过 150°，滚动角低于 5°，表现出良好的超疏水性能。WO₃功能层同时赋予表面较强的光吸收和光热转换能力。PTESS 在 280–3000 nm 波段的宽光谱吸收率超过 90%。在 1 Sun 全光谱辐照条件下，表面温度在 500 s 后可达到约 50.2 ℃。在覆冰实验中，当样品初始温度约为 −15 ℃时，1 Sun 光照能够使表面升温至冰的熔点，并在约 30 s 时形成预融水膜，约 180 s 内完成冰层融化。为了弥补夜间或弱光条件下光热加热能力的不足，研究人员进一步利用铁基非晶合金基底的导电能力进行电热加热。随着外加电压从 0.5 V 提高至 2.5 V，表面温度逐渐升高。在 2.5 V 条件下，PTESS 能够在无光环境中实现有效电热除冰。研究还比较了单独光热、单独电热以及光热-电热协同三种模式。结果表明，在相应实验条件下，光热与电热协同能够进一步加快冰层融化过程，完全除冰时间约为 60 s，体现了两种主动加热机制结合的优势。除了主动除冰外，分级超疏水结构本身也能够发挥被动防冰作用。在冻结实验中，PTESS 上的水滴约 120 s 后仍保持液态，而平坦亲水对照表面上的水滴约 60 s 内即形成均匀冰层。水滴与表面之间形成的空气层能够增加界面热阻，减缓热量从水滴向冷基底传递，从而延迟冻结并降低冰黏附。循环结冰和除冰实验进一步表明，即使经过多次循环，PTESS 的冰黏附仍明显低于平坦对照表面，不过随着循环次数增加，由于局部结构损伤和水分渗入，其冰黏附力也出现一定程度上升。

除防冰除冰性能外，PTESS 还展现出面向复杂环境应用的其他功能。在 X 波段，其总电磁屏蔽效能约为 38–40 dB，对应超过 99.9% 的电磁衰减。同时，铁基非晶合金体系在高温下可形成具有保护作用的复合氧化物结构，从而表现出一定的阻燃性能。研究人员认为，该设计的特点在于不同结构和材料组分承担互补功能：微纳分级结构负责超疏水和被动防冰，WO₃层负责光吸收及光热转换，而铁基非晶合金基底则提供结构支撑、导电通道和电热加热能力。研究还观察到 WO₃体系具有一定的光电响应和电荷储存能力，但目前储存的光电能量尚不足以独立驱动夜间电热除冰。因此，本研究中的黑暗条件除冰仍采用外部 2.5 V 电源。相关光电效应主要展示了未来能量辅助或自供能防冰系统的潜力。通过将被动抑冰、太阳能光热转换和可控电热加热集成在同一表面中，该研究为交通运输、能源设施以及其他寒冷环境中的低能耗、多功能防冰除冰技术提供了一种新的设计策略。