通过成分-界面协同强化策略制备环境适应性强的光热超疏水涂层，以实现超低温防/除冰功能

《Journal of Materials Science & Technology》：Environmentally robust photothermal superhydrophobic coatings via a composition-interface synergistic reinforcement strategy for ultralow-temperature anti/de-icing

光热超疏水涂层TiN-SHC通过组分-界面协同强化策略，实现耐腐蚀、抗紫外、抗热冲击等多环境稳定性，在-30℃下兼具高效光热转换和超疏水性，使结冰水滴快速融化且冰附着力低至10.78 kPa。

　　本研究致力于开发一种新型的光热超疏水涂层，该涂层在极端低温环境下展现出卓越的防冰和除冰性能，同时具备广泛的环境适应性。光热超疏水涂层因其独特的双重功能——被动防冰和主动除冰——而备受关注。这类材料不仅能够通过疏水特性防止水滴在表面形成冰层，还能利用光热效应加速冰层的融化，从而有效维持表面的冰疏性。然而，目前大多数光热超疏水涂层在实际应用中面临诸多挑战，如复杂的制备工艺、材料在多种恶劣环境下的稳定性不足，以及功能性能的退化等问题。这些问题严重限制了其在工业和工程领域的广泛应用。

针对上述问题，本研究提出了一种“组成-界面协同增强”策略，旨在构建一种具备多环境鲁棒性的新型光热超疏水涂层（TiN-SHC）。该策略的核心在于通过合理选择材料组成与表面结构，实现功能特性的协同优化。具体而言，研究团队将一种基于聚二甲基硅氧烷（PDMS）修饰的 POSS（多面体低聚倍半硅烷）基体与 PDMS 改性的 TiN（氮化钛）纳米/微结构相结合，从而设计出具有优异性能的 TiN-SHC。通过这种协同增强设计，不仅保留了 POSS 基体和 TiN 纳米填料各自的特性，还通过 PDMS 的桥接作用，增强了有机与无机相之间的兼容性，进而提升了涂层的整体性能。

TiN-SHC 在多种严苛环境条件下表现出良好的稳定性。例如，经过强腐蚀性介质的暴露、长期紫外线照射、循环热冲击、强烈机械磨损以及持续霉菌培养后，其超疏水性能依然保持不变。此外，该涂层在不同光照强度下均能实现高效的光热转换性能，表现出出色的环境适应性。这些特性使得 TiN-SHC 在实际应用中具备更强的耐久性和可靠性，为在极端低温环境下实现有效的防冰和除冰提供了新的解决方案。

在低温条件下，TiN-SHC 的冰疏性尤为突出。在 1 sun 光照强度下，即使在 -30°C 的极端环境中，静止的水滴仍然能够保持在 Cassie-Baxter 状态，即水滴在表面形成空气桥，从而防止其冻结。而对于已经冻结的水滴，TiN-SHC 能够在短时间内将其完全融化，展现出高效的主动除冰能力。这一性能的实现依赖于涂层表面的超疏水特性与光热转换能力之间的协同作用，使得水滴在接触表面时能够迅速滑落或蒸发，从而减少冰层的形成和附着。

进一步的实验表明，TiN-SHC 在 -30°C 条件下的冰附着力仅为 10.78 kPa，这一数值远低于传统材料的冰附着力，表明冰层能够轻松从涂层表面剥离。这一特性对于需要频繁除冰的设备和结构具有重要意义，尤其是在航空航天、交通运输、能源设施等对防冰性能要求极高的领域。此外，TiN-SHC 还展现出良好的阻燃性能，其氧指数（LOI）达到 41.7%，并符合 UL-94 V-0 阻燃标准，进一步拓展了其在防火安全方面的应用潜力。

在材料设计方面，TiN-SHC 的核心在于其组成与结构的协同优化。TiN 纳米颗粒因其独特的光热转换特性而被选作主要的光热材料。TiN 具有宽光谱吸收能力和高效的光热转换效率，这主要归功于其在纳米尺度上表现出的局域表面等离子体共振（LSPR）现象。LSPR 使得 TiN 纳米颗粒能够有效地将入射的光能转化为热能，从而加速冰层的融化。此外，TiN 纳米颗粒还具有优异的耐腐蚀性、耐磨性、热稳定性和化学稳定性，使其在复杂环境中表现出更高的耐久性。

为了进一步提升 TiN-SHC 的性能，研究团队引入了 POSS 基体。POSS 是一种具有高度化学惰性和热稳定性的材料，其结构类似于一个由硅氧骨架构成的笼状分子。通过对其进行化学修饰，POSS 能够与 PDMS 共聚，形成一种具有低表面能的复合基体。这种低表面能特性有助于维持涂层的超疏水性能，而 PDMS 的引入则能够改善 POSS 与 TiN 纳米颗粒之间的相容性，从而避免界面处的物理或化学不稳定性。这种“组成-界面协同增强”策略不仅提升了涂层的综合性能，还使得其能够在多种恶劣条件下保持稳定。

在制备工艺上，TiN-SHC 的设计采用了简单且可扩展的方法，避免了传统光热超疏水涂层所需的复杂设备和特殊基材。这种工艺的简便性使得 TiN-SHC 具备了良好的可复制性和成本效益，为大规模生产和实际应用提供了可能。此外，TiN-SHC 的结构设计也充分考虑了其在不同环境下的适应性。通过构建多层次的纳米/微结构，该涂层能够增强光吸收能力，从而提高光热转换效率。同时，这种结构设计也有助于提升涂层的机械强度和抗磨性能，使其在长期使用中不易损坏。

在实际应用中，TiN-SHC 的优势不仅体现在其性能的稳定性，还在于其多功能性。该涂层能够同时实现防冰、除冰、自清洁和抗霉菌等多重功能，使其适用于多种复杂的环境条件。例如，在潮湿寒冷的环境中，TiN-SHC 能够有效防止水滴在表面形成冰层，而在阳光充足的环境下，其光热转换能力则能够快速融化已形成的冰层。此外，其良好的阻燃性能也使其在高温或易燃环境中具有重要的应用价值。

本研究的创新点在于提出了“组成-界面协同增强”这一全新策略，并成功应用于光热超疏水涂层的开发。通过这一策略，TiN-SHC 不仅在性能上得到了显著提升，还在制备工艺和环境适应性方面实现了突破。研究团队通过系统性的实验验证了 TiN-SHC 在多种环境条件下的稳定性，包括化学腐蚀、机械磨损、紫外线照射、热冲击、微生物污染和火焰攻击等。这些实验结果表明，TiN-SHC 在实际应用中具有极高的可靠性。

此外，本研究还探讨了 TiN-SHC 在不同光照强度下的表现。实验结果显示，TiN-SHC 在广谱光照条件下均能保持稳定的光热转换性能，这使得其在不同光照条件下均能发挥良好的防冰和除冰作用。这一特性对于实际应用尤为重要，因为在不同的地理和气候条件下，光照强度可能会发生显著变化。TiN-SHC 的稳定性确保了其在各种环境下的适用性，为未来在更广泛场景中的应用奠定了基础。

在环境适应性方面，TiN-SHC 的设计充分考虑了多种可能的环境因素。例如，在强腐蚀性介质中，涂层能够保持其超疏水性能，而不会因化学反应而发生结构破坏。在长期紫外线照射下，TiN-SHC 的光热转换能力依然稳定，表明其具有良好的抗老化性能。在循环热冲击条件下，涂层能够抵抗温度变化带来的结构损伤，保持其物理和化学性能。在强烈机械磨损条件下，TiN-SHC 表现出优异的抗磨性，使其在频繁接触和摩擦的环境中依然保持性能。而在持续霉菌培养的实验中，TiN-SHC 也能够有效抑制霉菌的生长，展现出良好的抗微生物性能。

这些实验结果不仅验证了 TiN-SHC 的环境适应性，还揭示了其在不同环境下的综合性能。通过将低表面能化学与多层次结构相结合，TiN-SHC 实现了对多种环境因素的抵抗能力，使其在复杂多变的环境中依然能够保持稳定的性能。这种多环境鲁棒性是传统光热超疏水涂层所难以实现的，因此 TiN-SHC 的开发具有重要的科学价值和应用前景。

在实际应用方面，TiN-SHC 的多功能性和稳定性使其成为解决防冰和除冰问题的理想材料。在航空航天领域，飞机机翼、引擎罩等关键部位常常面临极端低温和潮湿环境的挑战，而 TiN-SHC 可以有效防止冰层的形成，同时在需要时快速融化冰层，提高飞行安全性和效率。在交通运输领域，如汽车和火车的车窗、桥梁和隧道等结构，TiN-SHC 可以提供可靠的防冰保护，减少因冰层附着而导致的事故风险。在能源设施方面，如风力涡轮机叶片和输电线路，TiN-SHC 可以防止冰层的形成，从而提高设备的运行效率和安全性。

此外，TiN-SHC 的阻燃性能也使其在某些特殊场景中具有重要的应用价值。例如，在高温或易燃环境中，如建筑外墙、电缆绝缘层和电子设备外壳，TiN-SHC 可以提供额外的防火保护，防止因冰层或水滴引起的火灾风险。这种阻燃特性不仅提升了材料的安全性，还为在高温和潮湿环境中实现多重功能提供了可能。

本研究的成功不仅在于开发出了一种新型的光热超疏水涂层，还在于其制备工艺的简便性和可扩展性。这种简便的制备方法避免了传统光热超疏水涂层所需的复杂设备和特殊基材，使得 TiN-SHC 可以在多种材料表面进行应用，如金属、陶瓷和聚合物等。这种材料的通用性为未来在更多领域中的推广和应用提供了可能性。

综上所述，TiN-SHC 的开发为光热超疏水涂层的研究和应用提供了新的思路和方法。通过“组成-界面协同增强”策略，TiN-SHC 不仅在性能上得到了显著提升，还在环境适应性和应用范围上实现了突破。这一研究成果为解决极端低温环境下的防冰和除冰问题提供了有效的解决方案，同时也为开发具有多环境适应性的多功能材料提供了重要的参考。未来，随着进一步的优化和应用探索，TiN-SHC 有望在更多实际场景中发挥重要作用，为相关行业带来显著的经济效益和社会价值。