多层石墨烯基光热超疏水涂层的构建，用于轨道交通和航空航天

1成果简介

光热超疏水涂层的附着力低，可延缓结冰，其光吸收材料具有光热转换特性，可用于除冰。然而，它们大多存在成本高、制备过程复杂等问题，限制了在工业领域的大规模应用。本文，安徽工业大学Huaqiang Chu等研究人员在《Carbon》期刊发表名为“Construction of multilayer graphene-based photothermal superhydrophobic coatings: synergistic de-icing mechanism and investigation of multiscale heat transfer properties”的论文，研究主要利用多层石墨烯、纳米二氧化硅颗粒和聚二甲基硅氧烷（PDMS），通过单步喷涂技术制备了一种新型光热超疏水表面。涂层的水接触角和滑动角分别为 158.3°和 2.1°，并且在经过 50 次砂纸磨损和胶带剥离测试后仍能保持超疏水性。它大大延长了结冰时间，-15 °C时为894.8秒，-20 °C时为608.8秒，分别是铝板的5.34倍和4.90倍。涂层上冰滴的融冰时间在-15 °C时为262秒，在-20 °C时为504秒，在1次太阳辐照下的滑动时间分别为81.0秒和113.0秒。研究还揭示了涂层在防冰和静态/动态除冰过程中的传热机理，建立了一个传热模型来说明光热转换过程中空气层对界面传热的影响。

2图文导读

图1.PTSC 制备的工艺流程。

图2、使用自制测试台对制备的样品进行光热实验、防冰实验和光热除冰实验。

图 3.样品的微观形态和元素分析 （a） PTC 的 FSEM 图像 （b） PTC 的放大图像 （c） PTSC 的 FSEM 图像 （d） PTSC 的放大图像 （e） PTSC 的 EDS 图像。

图4.样品的化学成分分析 （a） PTC 和 PTSC的FTIR光谱 （b） GP、OS、PTC 和 PTSC的XRD图 （c） OS、PTC和PTSC的TG曲线 （d） OS、PTC和PTSC的 DTG 曲线。

图5.OS 和 PTSC 样品的润湿性能测试 。

图6.制备样品的光热转换性能 （a） OS、PTC 和 PTSC 样品的 UV-VIS-NIR 吸收光谱 （b） OS、PTC 和 PTSC 样品在 1 个太阳强度下照射温度随时间的变化 （c） PTSC 样品在循环升温-冷却过程中的温度变化 （d） PTSC 样品在不同光照强度下的温度随时间的变化 （e） OS 的红外图像， 1 个太阳强度下的 PTC 和 PTSC 样品。

图7.OS 和 PTSC 的防冰性能测试 （a） -15°C 和 -20°C 下 OS 和 PTSC 表面液滴结冰状态随时间的变化图像 （b） 测量冰粘附强度的自制装置 （c） OS 和 PTSC 结冰过程中的传热机制图 （d） OS 和 PTSC 在 -15°C 和 -20°C 下冰的粘附强度比较。

图8.PTSC 样品的机械稳定性测试 （a） 砂纸磨损测试示意图 （b） PTSC 样品的 CA 和 SA 随磨损循环的变化 （c） 胶带剥离测试示意图 （d） PTSC 样品的 CA 和 SA 随胶带剥离循环次数的变化。

3小结

总之，采用简单、低成本的喷涂方法制备了一种光热超疏水防冰和除冰涂层，其工艺可实现大规模生产。制备的 PTSC 涂层具有 158.3° 的 CA 值和 2.1° 的 SA 值，对多种液体具有憎液性。PTSC 涂层还具有优异的光热性能。在 1 太阳光强度下照射 9 分钟后，涂层表面温度可从 21 ℃ 升至 68.70 ℃，升温幅度达 47.7 ℃，经计算涂层的光热转换效率可达 65.25%。该涂层将超疏水性能与吸光材料的光热转换性能协同作用，有效延缓了结冰时间，实现了光热除冰。PTSC 涂层在 -15 ℃ 和 -20 ℃ 下的结冰时间分别为 894.8 秒和 608.8 秒，分别是原铝板的 5.34 倍和 4.90 倍。

在-15 °C和-20 °C条件下，PTSC涂层上冰滴的融化时间分别为262秒和504秒；在-15 °C和-20 °C条件下，经过1次太阳照射后，该涂层上的冰滴在倾斜表面上的滑动时间分别为81.0秒和113.0秒。由于氟硅树脂、固化剂和 PDMS 聚合物的三重保护，涂层具有出色的机械稳定性，可有效保护微纳粗糙结构免受损坏。因此，本研究制备的耐久性光热超疏水涂层具有优异的防冰和除冰性能，适用于风力涡轮机叶片、轨道交通和航空航天等混凝土工程领域，能有效解决因冰的形成和积累而导致的机械故障和结构破坏问题。此外，该涂层在可再生能源领域的太阳能开发和利用方面也具有显著优势。

文献：

https://doi.org/10.1016/j.carbon.2025.120401

来源：材料分析与应用