安徽工业大学楚化强教授：界面传热调控驱动碳烟光热超疏水涂层实现高效防/除冰

Part 1 研究背景

表面结冰现象广泛存在于航空航天、电力输送、交通运输及新能源装备等领域，不仅会增加设备运行能耗，降低传热效率，还可能引发安全事故。传统电加热、化学除冰及机械除冰等技术普遍存在能耗较高、环境污染或维护成本较大等问题。近年来，超疏水涂层因其优异的液滴排斥能力和延迟结冰特性受到广泛关注，但单纯依靠表面微纳结构和低表面能实现的被动防冰难以完全避免长期低温环境下的冰层形成。将光热转换材料引入超疏水涂层，可利用太阳能实现主动除冰，为发展低能耗防/除冰技术提供了新思路。

然而，现有光热防/除冰研究主要侧重于提高材料的光吸收率和表面温度，对于光热转换、分级微纳结构与界面传热行为之间的协同作用仍缺乏充分认识。特别是如何在延缓液滴冻结的同时，提高太阳能在冰/涂层界面的有效利用，是实现高效防/除冰的关键。基于此，本研究以火焰制备的碳烟纳米颗粒为光热功能组分，结合SiO₂纳米颗粒与氟硅树脂构建光热超疏水涂层，重点研究其光热转换性能、低温防/除冰行为及界面传热调控机制，为低温装备表面的太阳能驱动热管理提供新的研究思路。

Part 2 研究内容

研究采用火焰法制备碳烟纳米颗粒，并以其作为涂层的主要光热吸收组分。实验过程中，以乙烯为燃料，通过燃烧器形成稳定的层流扩散火焰。在火焰局部富碳区域，乙烯不完全燃烧产生大量纳米级碳烟颗粒，通过将铝板置于火焰上方约2-3 cm处实现碳烟沉积，随后收集沉积碳烟用于涂层制备。将收集的碳烟颗粒与气相SiO₂纳米颗粒分散于乙酸乙酯中，通过超声分散和磁力搅拌促进颗粒混合，再加入氟硅树脂及N3390固化剂，采用喷涂工艺在铝基底表面构建复合涂层，最后经120 ℃固化2 h获得光热超疏水表面。通过调节碳烟与SiO₂的质量比，分别制备了Soot/SiO₂-3:5、Soot/SiO₂-1:1和Soot/SiO₂-5:3三种涂层，以研究组分比例对涂层结构和功能特性的影响。

图1 复合光热超疏水涂层Soot/SiO₂的制备流程示意图

探究不同Soot/SiO₂质量比对涂层微观结构及元素组成的影响，如图2所示，火焰制备的碳烟和SiO₂纳米颗粒均呈现明显的颗粒聚集特征，复合后在涂层表面形成了典型的分级微纳粗糙结构。随着Soot/SiO₂质量比的变化，涂层表面的颗粒堆积和孔隙形貌呈现一定差异，其中Soot/SiO₂-5:3涂层具有相对致密且均匀的分级结构，有利于增强表面粗糙度及入射光的多次散射与捕获。此外，EDS分析表明，C、Si、F和O元素分布于涂层表面，且随着碳烟比例增加，C元素相对含量升高、Si元素相对含量降低，进一步验证了复合涂层的成功构建。

图2 碳烟、SiO₂纳米颗粒及不同配比下涂层的微观形貌及元素组成

为评价涂层的表面润湿性及动态液滴排斥能力，研究开展了接触角测量和液滴撞击实验。如图3所示，原始铝基底的水接触角为73.8°，而不同配比的Soot/SiO₂复合涂层均表现出优异的超疏水性能，其中Soot/SiO₂-5:3涂层的水接触角达到159.1°。在25 ℃条件下，液滴撞击原始铝基底后发生铺展并滞留于表面，而在Soot/SiO₂-5:3涂层表面能够快速回缩并反弹，最大反弹高度达到4.63 mm。即使在-10 ℃低温环境下，涂层表面仍能实现液滴反弹，反弹高度约为1.32 mm，表明其具有良好的低温动态拒水能力，有利于减少液滴与低温基底的接触并延缓结冰。

图3 涂层的表面润湿性与室温、低温条件下的液滴撞击行为

为探究涂层的光吸收及光热转换特性，研究开展了光谱测试和模拟太阳光照射实验。如图4所示，在200-2500 nm波段内，原始铝基底的平均光吸收率仅为31.38%，而Soot/SiO₂-3:5、Soot/SiO₂-1:1和Soot/SiO₂-5:3涂层的平均光吸收率分别达到97.51%、98.26%和98.33%，其中5:3配比在所考察范围内表现出最高的光吸收率。在1 sun模拟太阳光照射600 s后，Soot/SiO₂-5:3涂层温度可升至约76.5 ℃，明显高于原始铝基底的48.8 ℃。此外，涂层在不同光照强度下均表现出良好的光热响应能力，经过五次加热-冷却循环后仍保持稳定的温度变化特征，表明其具有优异的光热转换性能和循环稳定性。

图4 Soot/SiO₂复合涂层的光谱吸收与光热转换性能

为评价涂层的低温防冰性能，在-10 ℃和-15 ℃条件下开展了液滴冻结及冰黏附实验。如图5所示，在-10 ℃条件下，原始铝基底表面液滴仅经过115 s便完全冻结，而Soot/SiO₂-5:3涂层表面的冻结时间延长至3138 s。在-15 ℃条件下，涂层表面液滴的冻结时间仍达到2700 s，分别约为原始铝基底的27.3倍和28.4倍。同时，冰黏附强度由原始铝基底的134.04 kPa降低至34.91 kPa，降幅约为74%。这主要归因于分级微纳结构与低表面能界面的协同作用，使液滴与基底之间形成具有隔热作用的空气层，增大界面热阻，减缓液滴向低温基底的热量传递，从而有效延迟结冰并降低冰黏附强度。

图5 Soot/SiO₂光热超疏水涂层的低温结冰行为及冰黏附性能

进一步评价涂层的主动除冰能力，研究在1 个太阳光强度下开展了冰滴及冰层融化实验。如图6和图7所示，在-10 ℃和-15 ℃条件下，Soot/SiO₂-5:3涂层表面的冰滴分别于376 s和488 s内完成融化，而3 mm厚冰层分别于480 s和728 s内实现融化去除。其除冰机制主要归因于碳烟颗粒对太阳光的高效吸收与光热转换，使热量在冰/涂层界面附近积累，促进冰层底部优先融化并形成液态水层，进而削弱冰层与涂层之间的黏附作用。这表明光热转换与界面传热调控的协同作用是实现高效太阳能驱动除冰的重要因素。

图6 光热超疏水涂层表面冰滴的融化过程及界面融冰机制

图7 毫米级冰层融化过程、界面传热机制及性能对比

为考察涂层的耐久性，研究开展了连续水流冲击和砂纸磨损实验。如图8所示，在约5.5 L/min的水流量下连续冲击100 min后，Soot/SiO₂-5:3涂层的水接触角仍保持在151.5°以上。在800目砂纸、200 g载荷及5 cm/s滑动速度条件下，经过100次磨损循环后，涂层水接触角仍达到153.3°，滑动角为5.8°。随着磨损次数增加，涂层表面逐渐出现局部颗粒脱落和磨损痕迹，但部分分级微纳结构仍得以保留，使涂层在机械作用后依然保持较好的超疏水性能，展现出一定的工程应用潜力。

图8 Soot/SiO₂-5:3涂层的水流冲击及机械耐久性

Part 3 研究总结

研究采用火焰制备碳烟纳米颗粒，结合SiO₂及氟硅树脂构建了具有分级微纳结构的光热超疏水涂层，实现了光热转换、表面润湿性与界面传热行为的协同调控。Soot/SiO₂-5:3涂层表现出较好的综合性能，水接触角达到159.1°，平均光吸收率达到98.33%。在-10 ℃和-15 ℃条件下，液滴完全冻结时间分别达到3138 s和2700 s，冰黏附强度降低约74%；在1个太阳光照射下，冰滴分别在376 s和488 s内完成融化，3 mm厚冰层分别在480 s和728 s内实现去除。此外，涂层经过连续水流冲击和机械磨损后仍能保持良好的超疏水特性。

本研究的重要意义在于，将光热超疏水材料的防/除冰性能研究进一步拓展至界面传热与热量利用机制。在被动防冰过程中，分级微纳结构及其截留空气层能够增大界面热阻，降低液滴向低温基底的传热速率；在主动除冰过程中，碳烟材料的宽光谱吸收与光热转换作用促进冰/涂层界面的局部热量积累，使冰层从界面处优先融化，并进一步削弱冰层黏附。这种被动防冰与太阳能驱动主动除冰相结合的方式，为构建低能耗、高效能的防/除冰功能表面提供了思路，也为光热涂层在新能源装备、交通运输及其他低温工程领域的应用研究提供了实验基础。

相关成果以“Interfacial heat transfer-driven soot photothermal coating for anti/de-icing”为题发表于《Applied Thermal Engineering》。论文第一作者为安徽工业大学刘子龙博士，通讯作者为安徽工业大学楚化强教授。