《Progress in Materials Science》：A multifunctional coating integrating photothermal-electrothermal conversion and self-powered ice sensing for all-weather anti-icing
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高效广谱光热电热协同防冰涂层设计与多功能集成研究|环氧-TiC涂层|光热-电热协同效应|自供电传感|极端环境应用
魏琳琳|王志忠|陈鹏|徐旭东|李艳|李凤琴|田贵忠|阮恒进|李文倩|朱晓辉|冯晓明
江苏科技大学机械工程学院，镇江，212100，中国
摘要
传统的防/除冰策略在复杂和动态的环境条件下往往效果不佳。我们报道了一种新型的多功能环氧-TiC涂层（METC），它结合了高效的光热-电热协同效应以及通过摩擦电纳米发电机（TENG）实现的自供电冰检测功能。METC采用可扩展的喷涂技术制备，具有优异的宽带光吸收性能（>98%，380–1000 nm）和强大的热响应能力，在1太阳光照下可达到132.1°C，在0.2 W cm?2电输入下可达到81.2°C。这些特性使得除冰过程在142秒（太阳能）或116秒（电热）内完成，并且在混合激励下（0.5太阳光照 + 0.05 W cm?2）即使在-20°C的温度下也能持续防冰。此外，METC还表现出优异的机械耐久性、化学稳定性和耐腐蚀性，适用于恶劣环境中的长期使用。重要的是，该涂层还充当TENG，能够实时、自供电地监测表面冰状态，提供了一种智能、响应迅速的“感知-行动”防冰解决方案。这种集成策略为航空航天、可再生能源和交通基础设施领域的下一代智能涂层奠定了基础，特别是在极端天气条件下。
引言
冰在关键基础设施（包括飞机、船舶和高速铁路系统）上的积聚对运营安全、能源效率和系统可靠性构成了严重威胁[[1], [2], [3], [4]]。在寒冷气候或高海拔环境中，冰的形成和附着不仅会干扰系统运行，还可能导致灾难性故障[[5], [6], [7], [8]]。因此，开发出坚固、节能的防/除冰策略对于确保基础设施的韧性和安全性至关重要[[9,10]]。光热材料作为一种有前景的被动防冰涂层，能够将太阳辐射转化为热量，从而延缓或防止冰的形成[[11], [12], [13], [14]]。在充足的阳光下，这些涂层可以迅速提高表面温度，使其超过冰点，通过界面加热抑制冰核的形成并促进附着冰的融化[[15], [16], [17], [18]]。然而，光热策略的有效性本质上依赖于环境光照强度。在阴天、夜间或太阳辐射较低的极地地区，其除冰能力会显著下降，限制了其在各种天气条件下的应用[[19,20]]。
为了解决这一限制，人们探索了结合电热加热的混合系统。这些系统利用嵌入式导电材料在施加电场下产生热量，从而提供可控且不受天气影响的熱输入[[21], [22], [23], [24]]。例如，使用MWCNTs和PPy制备了一种同时具有电热和光热特性的复合涂层，其光吸收率高达97.33%。在1太阳光照或0.20 W cm?2电功率密度下，该涂层有效防止了表面结冰或霜冻的形成[[25]]。此外，还通过一步喷涂方法制备了一种防冰涂层，使用PDMS和PVDF作为有机粘合基质，并掺入了GPE、MWCNTs和改性SiO?纳米颗粒作为功能掺杂剂。在光热和电热条件下，该涂层分别在81秒和61秒内迅速升温至约68.4°C和48.5°C[[26]]。虽然光热-电热协同效应提高了整体性能，但持续的外部电力消耗仍然是一个主要缺点——尤其是在分布式、自主或远程系统中，这些系统的能源供应有限[[27], [28], [29], [30]]。同时，实时冰检测对于提高能源效率和运营安全至关重要[[31,32]]。传统的传感器阵列通常需要复杂的电路和外部电源，这阻碍了它们在可扩展涂层中的集成。最近，摩擦电纳米发电机（TENG）因其能够将机械振动或表面接触转化为电能而受到越来越多的关注[[33], [34], [35], [36]]。这些自供电设备为通过生成响应性电信号来智能检测冰的形成、生长和融化提供了新的途径，从而实现主动和适应性的除冰策略[[38], [39], [40], [41]]。
在这项研究中，我们提出了一种多功能环氧-TiC涂层（METC），它将光热转换、电热加热和基于TENG的自供电检测集成到一个统一的平台上。如图1所示，METC通过使用碳化钛（TiC）纳米颗粒和环氧树脂的可扩展喷涂方法制备，表现出超高的宽带光吸收率（>98%）、快速的热响应（在1太阳光照下达到132.1°C，在0.2 W cm?2电输入下达到81.2°C），以及出色的化学、机械和耐腐蚀性。值得注意的是，即使在-20°C的温度下，它也能通过光热-电热协同效应保持防冰能力，并通过振动诱导的摩擦电信号实现实时冰状态监测。通过将被动、主动和智能功能集成到单一涂层中，这项工作为下一代全天候、节能和智能的防/除冰表面提供了新的设计蓝图，对在极端环境中运行的航空航天、海洋和交通系统具有重要意义。
材料
碳化钛（TiC）纳米颗粒（平均粒径约100 nm）购自Aladdin Biochemical Technology Co., Ltd。环氧树脂（E51，双酚-A型，粘度：11,000–14,000 mPa s）和固化剂（E51硬化剂，粘度：2000–3000 mPa s）由Wilget Co., Ltd.提供。无水乙醇来自上海Macklin Biochemical Technology Co., Ltd.，而盐酸（HCl，36%–38%）和氢氧化钠（NaOH，95%）则来自Sinopharm Chemical Reagent
结构和成分表征
METC的制备过程在图2a中进行了可视化展示，说明了制备过程中的各个步骤。使用扫描电子显微镜（SEM）检查了不同TiC含量的METC表面形态，揭示了明显的微观/纳米结构特征（图2b-d）。涂层中的TiC纳米颗粒均匀分散在环氧树脂中，产生了不规则的微观粗糙度和局部聚集。
结论
在这项工作中，我们开发了一种多功能环氧-TiC涂层（METC），它将宽带光热转换、高效电热加热和自供电冰状态检测集成到单层结构中。通过可扩展的喷涂工艺掺入碳化钛（TiC）纳米颗粒，METC实现了出色的光吸收性能（>98%）和快速的热响应，在1太阳光照下表面温度可达132.1°C，在0.2 W cm?2电输入下60秒内达到81.2°C。
CRediT作者贡献声明
魏琳琳：撰写——原始草案，研究，正式分析。王志忠：监督，资源提供。陈鹏：验证，研究。徐旭东：研究，数据管理。李艳：验证，监督。李凤琴：监督，概念构思。田贵忠：项目管理。阮恒进：验证，研究。李文倩：可视化，软件处理。朱晓辉：验证，软件处理。冯晓明：撰写——审稿与编辑，监督，项目管理，
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文报告的工作。
致谢
本工作得到了国家自然科学基金 [编号：52375291, 52005227, 52305605]、江苏省高等教育机构的‘青兰项目’ [编号：2024]、镇江的基础研究项目 [编号：JC2004017]以及江苏科技大学的‘沈兰项目’ [编号：2024]的支持。
