北京
中国科学院化学研究所刘杰研究员团队近日在Nano Today在线发表题为“Porous brush-locked-liquid ointment toward icing-resistant complex architectures”的研究论文。该研究针对高铁接触网、管道、阀门等复杂工程构件在低温环境下面临的覆冰难题，提出了一种类固系留液体润滑材料（solid-like tethered-liquid lubricant, STLL）。该材料兼具液体润滑界面的低冰黏附特性和固态材料的高稳定性，为复杂结构长期防冰提供了新的材料设计策略。
论文链接：
https://doi.org/10.1016/j.nantod.2026.103195
图1. 高铁接触线结冰
传统液体灌注防冰表面（SLIPS）依赖稳定的润滑液层降低冰与基底之间的结合，但在长期服役过程中容易受到水流冲刷、机械摩擦和反复冻融影响，导致润滑剂流失和防冰性能衰减，限制了其在真实工程环境中的应用。因此，如何在保持液态润滑优势的同时提高润滑剂稳定性，成为发展新一代耐久防冰材料的关键挑战。
针对这一问题，研究团队提出了“多孔储液结构 + 分子刷界面稳定”的新型设计理念，构筑了STLL材料。该体系以多孔二氧化硅颗粒为载体，在颗粒表面及内部孔壁引入聚二甲基硅氧烷（PDMS）分子刷，并进一步负载硅油。分子刷增强了固体骨架与润滑液之间的界面结合，多孔结构则作为微型储液库，在表面润滑剂损失后持续提供补给，从而实现润滑界面的长期稳定。
图2. STLL的设计思路。
通过调控颗粒与润滑液比例，STLL可由传统流动液体逐渐转变为宏观近似固态的材料形态，同时保持液体界面的低黏附特征。实验结果表明，STLL表面对水以及牛奶、蜂蜜、血液等多种复杂液体均表现出优异的滑移性能。相比传统液体灌注表面，STLL在持续水流冲刷和高速水射流作用下仍能保持稳定润滑，并在多次结冰–除冰循环后维持较低冰黏附强度。进一步地，研究团队将STLL引入交联PDMS弹性体系，进一步增强材料耐久性，使其能够在长期冰冻环境下持续发挥防冰作用。
图3. STLL的防冰性能。
除优异的防冰性能外，STLL还具有良好的工程适应性。该材料可通过刷涂、喷涂等方式直接覆盖于混凝土、陶瓷、木材以及金属等多种基材表面，并能够适应曲面、粗糙结构及复杂内部空间。即使表面受到机械损伤，也可通过简单补涂实现性能恢复，为大型基础设施现场施工和维护提供了便利。
针对高铁接触网覆冰这一典型应用场景，研究团队开展了模拟验证。冻雨环境下，接触线覆冰可能影响受电弓与接触线之间的机械接触和电能传输，威胁铁路运行安全。实验中，以铜管模拟低温接触线，结果显示STLL涂层能够有效延缓冰层形成、减少覆冰量，并降低冰层脱除所需作用力。
图4. STLL面向复杂结冰环境的应用测试验证。
与此同时，考虑到接触网需要兼顾防冰与导电功能，研究团队进一步测试了涂层对电接触性能的影响。结果表明，在无载荷状态下，STLL可能增加接触电阻；但在受电弓模拟载荷作用下，承载区域润滑层被局部排开，使金属间重新形成有效导电接触，接触电阻恢复至接近裸铜水平，并在往复滑动过程中保持稳定。这一结果验证了STLL在电接触防冰构件中的应用潜力。
除铁路接触线外，研究团队还展示了STLL在多种复杂结构中的应用，包括阀门开启面、排水管道内壁以及链条等易积冰部件。涂覆STLL后，冰层附着显著降低，可实现低力脱冰和冰堵缓解，体现出该材料对不同工程结构的适应能力。
图5. 复杂构件结冰
总体而言，该研究突破了传统液体润滑防冰材料稳定性不足的限制，将多孔储液、分子刷系留和可施工涂层技术相结合，发展了一类兼具液态界面特征和固态稳定性的类固润滑防冰材料。与依赖复杂微纳结构加工的防冰表面相比，STLL具有制备简单、适用范围广和可修复等优势，为高铁接触网及寒区基础设施长期防冰提供了新的材料方案。
目前，该研究中的铁路应用仍处于实验室模拟验证阶段。未来仍需在真实线路环境下进一步评估材料的机械磨耗、环境老化、污染影响、电弧作用、长期服役寿命以及规模化施工性能。随着上述工程问题的逐步解决，STLL有望为寒区交通装备和重大基础设施提供新一代长效防冰技术。
本文来自“材料科学与工程”公众号，感谢论文团队支持。
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