Small | 光热超疏水防/除冰技术：机遇与挑战

背景介绍

冰雪是冬季的常见景象，但对于输电线路、风力叶片、机翼等户外设备而言，积冰却是一场不容忽视的“白色灾难”。开发低能耗、高效率的被动防/除冰技术，可有效降低防除冰过程所需能耗及污染，成了当前研究的热点。受荷叶效应启发，超疏水表面因独特的固液接触状态，在防/除冰领域展现出巨大潜力。但单一超疏水表面在低温高湿环境下并不稳定：水蒸气会在微纳结构中冷凝，破坏空气层，使润湿性从稳定的Cassie态滑向高粘附的Wenzel态，防冰性能随之失效。此外，光热转换过程将太阳能直接转化为热能，为表面提供被动加热方案，但传统光热材料多具亲水性，长期户外使用易被水、尘污染，导致性能下降。将超疏水性与光热效应集成的光热超疏水表面，既能通过光热效应升温抑制结冰，又能利用超疏水性降低冰层附着力、促进融冰滑落，成为一种极具潜力的被动防/除冰技术。

成果展示

基于此，中南大学能源科学与工程学院陈梅洁副教授等人系统梳理了光热超疏水防/除冰技术的发展、协同设计与未来机遇，试图为从实验室走向实际应用提供理论指导。首先，从结冰与结霜的基本物理过程入手，分析了液滴凝固的四阶段（过冷、再辉、等温凝固、冷却）与霜层蔓延的冰桥传播机制，指出了界面温度调控与润湿性设计是实现被动防/除冰的关键。系统分析了光热转换与超疏水表面的协同设计原则。光热设计思路，重点对比了非选择性与选择性吸收表面的差异。通过分析Cassie-Baxter态与Wenzel态的润湿性转变机理，提出了在结冰-融冰循环中实现自发去润湿转变的设计思路：多尺度结构的构建是实现超疏水性与光热性能协同调控的关键。核心矛盾在于：超疏水所需的微纳粗糙结构会增强中红外吸收，破坏光谱选择性。基于此，总结了两类解决策略——在金属基底上喷涂疏水吸光层，或在光热层上覆盖低发射率材料再修饰疏水层，从而实现光谱选择性与超疏水性的平衡。

其次，面向复杂应用场景，探讨了功能性光热超疏水结构的拓展路径。针对低光照或夜间场景，将相变储热材料与电热辅助功能集成于表面，利用相变材料储存日间余热、夜间释放，或通过电热系统在极端条件下快速响应，实现全天候防/除冰。针对建筑玻璃、光伏面板等对透光性有严格要求的场景，总结透明光热超疏水表面的设计策略——选择性吸收紫外/近红外波段、透过可见光，同时兼顾超疏水性与低发射率，为智能建筑与汽车玻璃的节能防冰提供新方案。

最后，针对光热超疏水表面应用过程中的挑战：长期稳定性、环境适应性、规模化制备与性能评价标准化。在稳定性方面，总结了铠甲式保护结构、牺牲层、耐候性粘结剂及激光原位氧化等策略；在环境适应性方面，分析了超低温高湿、低太阳辐射及夏季过热工况的应对方案，提出通过智能响应材料实现自适应热管理的思路；在规模化制备方面，指出了大面积均匀性、复杂曲面适应性及成本控制的难点，展望了卷对卷工艺、机器人辅助喷涂等先进制造技术的应用前景；在标准化方面，对比了当前冰粘附力、结冰延迟时间等测试方法的差异，亟需建立统一测试标准，促进其从实验室走向市场。

本文从多学科交叉的视角，构建了超疏水光热防/除冰技术的理论框架与技术发展路线。未来，通过工程热物理、材料科学、机械工程与人工智能的深度融合，开发低成本、高耐久、智能响应的新一代光热超疏水表面，并建立标准化的性能评价体系，有望推动这一绿色、高效的防/除冰技术从实验室走向大规模工程应用，为航空航天、风力发电、电力传输及建筑节能等领域提供可靠的被动防冰解决方案。相关研究成果以“Superhydrophobic Solar Thermal Anti‑Icing/Deicing: Opportunities and Challenges”为题发表于期刊Small，第一作者为硕士生姚保健，通讯作者为中南大学陈梅洁副教授。

该工作是团队近期关于光热利用技术最新进展之一。近几年，在光热领域，基于脱合金（ACS Applied Energy Materials, 2019, 2(9): 6551-6557）、电镀（Applied Physics Letters, 2023, 122(6): 063301）、原位氧化（ACS Applied Energy Materials, 2023, 6(21): 10943-10950）实现了单组分、易拓展与高温稳定的光热选择性吸收涂层，拓展了其在光热蒸发淡水收集（Nano Letters, 2024, 24, 50, 16143-16150; Advanced Functional Materials, 2025, 35(52): e07761）、光热除/防冰（Small, 2024, 20(32): 2312226; Advanced Functional Materials, 2025, 35(33): 2501463; Advanced Functional Materials, 2026, e31022）领域的应用。

图1 光热超疏水防/除冰技术研究框架

图2 结冰结霜机理与被动防/除冰策略

图3 光热超疏水表面协同设计

图4 多功能光热超疏水防/除冰表面设计

图5 光热超疏水表面应用挑战

https://doi.org/10.1002/smll.73254