广西大学刘黎明《AFM》：新型抗冰网格在极端环境中大放异彩‌！

广西大学跨尺度功能表界面科研团队，通过"抄袭"大自然——把珊瑚晒太阳的本事和山体边坡加固结构的力学稳定性学过来，成功研发出一种机械耐久、弱光除冰与自发脱湿功能的抗冰网格（AIM）。给它晒晒太阳（0.05 Wcm-2），5分钟就能把冰给"热"跑了，比某些男朋友回消息的速度快多了！这项创新成果以涡扇发动机进气网罩的防冰需求为导向，为航空、通信网络和电力线路等领域的抗冰难题提供了新的解决方案（图1所示）。该研究成果以“Multi-Scale Biomimetic Strategy: Robust Woven Wires with Photo-Thermal De-Icing and Spontaneous De-Wetting”为题，发表在最新一期的《Advanced Functional Materials》上。

全文链接：

https://doi.org/10.1002/adfm.202423043

图1 涡扇发动机进气道网罩

‌珊瑚光热与山坡加固结构的灵感碰撞

图2所示，从珊瑚的光热特性与山坡的加固结构中汲取灵感，成功研发出一种超耐用、具备光热除冰与自润湿功能的抗冰网格。

图2具有光热除冰和高鲁棒性的AIM仿生策略的示意图。

如图3所示，在网丝表面涂覆聚二甲基硅氧烷（PDMS）与碳黑纳米颗粒（CB）的复合材料，通过一步激光处理，形成具有丰富“气穴”的珊瑚状纳米结构，并被保护在亚毫米尺度的网格内，从而将微米级重叠峰/脊和珊瑚状纳米结构巧妙地组装到了编织金属丝上（AIM）。AIM拥有出色的光热转换能力，在0.1 Wcm-2的太阳辐射下，表面温度在3分钟提升至约101.4 ℃，同时确保了其结构的耐用性。

图3.制备、光热效应和润湿性表征。a）AIM的制备、微观形态演变、对不同性质液滴的润湿性表征以及相应的激光加工机理示意图；b）原始网格和AIM之间的光热效应比较。

高效抗冰‌，自发脱润湿

如图4所示，优化后的AIM表面冰粘附强度为14.5 kPa, 液滴成核温度为-6.8 ℃，0 ℃过冷水滴（12 μL）在-15 ℃环境下的冻结时间105 s。除了光热除冰外，AIM网格还具备自发脱湿功能。在冰融化过程中，网格表面结构间隙的“空气泡”会在马兰戈尼力的作用下恢复，推动固液界面向微纳米结构的顶部迁移，从而实现从Wenzel态到Cassie-Baxter态的转变，使网格表面重新获得超疏水性能。这一过程通过表征界面接触线长度和冰滴接触角变化得到证实（Supporting Information）。

图4防冰性能和自发脱湿机理。a）不同网格面积的AIM表面除冰强度和冻结时间的变化和比较，以及相应的原始金属网；b）AIM-0.018表面冰霜的自发脱湿过程；c）AIM-0.018的光热除冰性能、红外温度变化和Cassie润湿性的恢复；d）AIM表面液滴冻结和熔化过程，以及AIM-0.018表面除冰/脱润湿机理的润湿性转变模型。

超强力学稳定性，无惧磨损

如图5所示，AIM突破了超疏水表面微纳结构易损伤的瓶颈。AIM在经历10,000次标准化（ASTM D4060）磨损循环后，即在动态载荷（法向压力20-30 kPa）下磨损距离为538 m时，其表面滚动角仍保持在8°。进一步，通过摩托车碾压、刀刮、2年的户外耐候性和400℃高温测试，这网格就像打不死的小强，功能效果依然坚挺！通过定量评估微观形态演变和界面润湿状态，建立了界面损伤数学模型并分析了磨损距离与表面润湿性之间的依变关系。

图5AIM的机械耐久性、耐候性和热稳定性。a）磨损试验过程中压力和摩擦扭矩的时变曲线，插图是磨损过程和磨损区域的润湿特征；b）分别在50m、100m、200m和538m的磨损距离下SEM图像和Si元素的能谱图，以及磨损过程中结构特征尺寸变化的示意图。c）AIM的抗磨能力与近8年发表的超疏水表面的研究结果对比；d）不同水射流冲击速度下AIM表面润湿性的变化，插图显示了不同韦伯数下的冲击过程；e）24个月的室外耐候性和f）连续400 ℃热处理期间AIM表面的接触角和滚动角变化规律。

‌功能性与实用性兼具，可大面积生产，前景广阔

图6所示，在模拟冻雨环境（-5 ℃，90%相对湿度）中，0.1 Wcm-2的太阳辐射，AIM可在123秒内完成除冰任务；即便将太阳辐射减弱至0.05 Wcm-2的情况下，除冰时间也仅延长至302秒。这一结果得益于其独特的空心微骨架和亚波长多孔纳米结构，它们能够减小固-液接触面积，高效吸收并转化太阳光为热能，实现快速除冰，同时保持了环保节能的特性。另外，即便经过100 m的严苛线性磨损测试，光热脱冰时间仅较未磨损的AIM延长了30秒，兼具了功能性与实用性。值得一提的是，AIM制备过程环保且经济高效，适合大规模生产。在实验室条件下，仅用2小时就制备出面积达4200 cm2的AIM，展示了其商业化应用潜力。

图6 冻雨条件下的防冰/除冰性能，不同辐照强度下的光热转换能力，以及AIM的大面积生产。a）用于高压线路除冰的光热效应AIM示意图；b）AIM的冷冻时间和除冰强度随磨损距离的增加而变化，磨损试验按照ASTM D4060方法进行；c）AIM（4200 cm2）的大规模生产，插图验证了其Cassie润湿性；d）AIM在不同太阳辐射强度下的光热转换能力；e）AIM、AIM-100和裸线覆盖的铝合金输电线路的光热除冰演示和比较。

总结

极端气候条件下的结冰现象威胁航空、电力等基础设施安全，基于超疏水表面的防冰技术存在冰-固互锁、融冰后粘滞和力学失稳等瓶颈。本研究从自然界珊瑚的光热特性和山体边坡加固结构的力学稳定性获取灵感，致力于开发兼具高效除冰、自发脱湿和超强耐久性的新型防冰材料，为防冰领域带来新突破。未来通过材料体系优化和结构参数调控，有望拓展至更广泛的低温环境应用场景。

论文第一作者为河南工业大学张坤博士，通讯作者为广西大学刘黎明助理教授，本研究工作感谢广西青年科学基金项目（KY01030030124030），广西科技基地和人才专项（AE30100196），高端轴承摩擦学技术与应用国家地方联合工程实验室开放基金项目（202308）和郑州市科技局自然科学项目（22ZZRDZX16）等基金项目支持。

本文来自公众号“材料科学与工程”，感谢作者团队支持。