《Cold Regions Science and Technology》：Durable icephobicity: A lubricant-infused nickel scaffold approach
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提出一种结合金属支架和冰抑制液的聚二甲基硅氧烷（PDMS）多相冰防滑结构，通过相变协同效应和界面力学行为优化，显著延长超冷水滴结冰时间至179.7±4.5秒（-20℃），降低冰附着力至0.7±0.1 kPa，并经过50次冻融循环后性能保持稳定。
吴梦娟|王杰|凌三良|Richard Whealthy|沈一洲|侯向辉
南京工业大学材料科学与工程学院，中国南京211167
摘要
在恶劣和极端的环境条件下，风力涡轮机叶片容易发生结冰现象，这严重威胁到其运行安全。为应对当前防冰技术高能耗和低效率带来的关键挑战，本研究旨在提出一种优化的防冰结构设计，利用相变和固冰界面力学行为的协同效应。所提出的结构在含有抑冰液的聚二甲基硅氧烷（PDMS）基体中嵌入了金属支架。本研究中选择了甘油和乙二醇作为抑冰液。通过使用这些抑冰液，层表面的羟基浓度增加，有效降低了液固界面上过冷液滴的冰点。此外，嵌入的金属支架在提高复合结构的机械耐久性和除冰性能方面发挥了双重作用。由于各相之间弹性-塑性差异的增强，固冰界面的微裂纹扩展行为得到改善，断裂韧性降低，从而显著减少了冰的附着力。因此，这一过程削弱了界面结合，使得冰的去除更加容易。新开发的防冰结构表现出优异的防冰性和耐久性：在-20°C下，含有乙二醇的Ni支架-PDMS（NP-甘油）上过冷水滴的冰核形成延迟时间延长至179.7±4.5秒，而相同厚度的纯铝板的结冰时间仅为9.0±1.2秒。此外，NP-甘油的冰附着力在经过50次结冰/除冰循环后仍保持稳定，约为0.7±0.1千帕，突显了该结构的卓越耐久性。这些发现表明，这种结合了金属支架和抑冰液的PDMS基体防冰结构为开发耐用且有效的防冰表面提供了有前景的途径。未来的研究将重点优化支架几何形状，并探讨抑冰液的影响，以进一步提升防冰性能。
引言
冰的附着和积累在可再生能源、风能、电力生产和交通运输领域带来了重大挑战，可能导致巨大的经济损失和灾难性后果（Zhang等人，2023；Wei等人，2022；Zhan等人，2025）。防冰表面的应用可能是有效应对不同工程表面结冰问题的关键解决方案（Wu等人，2021a；Wang等人，2025）。制备防冰结构主要有三种方法：利用疏水效应延迟或抑制水滴的成核，从而提高防冰性能（Li等人，2023；Memon等人，2021）；使用低弹性材料或降低冰在界面处的断裂韧性以促进冰的去除（Zhan等人，2025；Shen等人，2021）；通过注入滑润液体的多孔表面（SLIPs）增加防冰性（Wong等人，2011；Hanh等人，2021）。
表面防冰性的综合定义可以从四个不同方面进行阐述（Irajizad等人，2019a）：过冷水滴表面的相变热力学、冰形成过程中的热传递、结冰表面系统的力学特性，以及由材料性质决定的长期机械、化学和环境耐久性。根据上述定义，理想的防冰表面主要具有几个关键参数：冰形成的平均延迟时间、特定表面上冰的积累比例、冰-固界面上的冰附着力，以及长时间内的有效表面排斥性（Eberle等人，2014）。
目前关于防冰性的进展主要集中在一两个方面。Shen等人通过湿化学方法制备了具有封闭层孔和开放锥体的超疏水纳米结构，实现了长达170秒的结冰延迟时间（Shen等人，2019a）。然而，超疏水结构在不同的运行环境中仍难以满足有效的冰缓解要求（Shen等人，2019b；Zhou等人，2020）。在低温和高湿度条件下，超疏水性可能会因高速撞击水滴而降低。此外，过冷液滴可能容易附着在层状微纳涂层结构上，导致冰的积累并复杂化除冰过程（Liu等人，2017；Wu等人，2021b）。He等人使用空心亚表面结构解决了表面冰附着力问题（He等人，2019）。然而，低弹性防冰涂层的广泛应用总是受到机械性能差、脆性和耐磨性不足的限制（Wu等人，2020；Pan等人，2020）。因此，设计同时满足所有标准的防冰结构——如良好的防冰性能、低冰附着力、最小的冰积累率和耐久性——仍然是一个关键挑战。
引入抑冰液有望提高防冰性能。Halar等人提出了模仿鲸鱼皮肤中液滴的设计概念，以改善防冰性能。将抑冰液（冰抑制剂）掺入增强复合涂层中，旨在抑制冰核的形成（Memon等人，2021）。然而，由于大量羟基的释放，除冰效果，特别是冰附着力可能会降低，这与提供有效冰保护的初衷相矛盾（Petrenko和Peng，2003）。为了解决这个问题，提出了多相结构系统的构建。Irajizad等人提出，通过整合弹性模量差异显著的弹性体来实现表面弹性塑性差异，从而实现防冰表面（Irajizad等人，2019b）。使用高弹性模量的硅基弹性体制成基体，同时加入弹性模量相对较低的有机硅基凝胶来构建所需的防冰结构。
大多数报道的研究仅能满足表面防冰性的某些方面，包括防冰性能、除冰能力和机械稳定性。同时满足所有这些要求仍然是一个重大挑战。在这项工作中，提出并构建了一种新的防冰层结构来解决这一问题。通过利用注入的抑冰液的特性，可以延长液固界面处过冷液滴的结冰过程。加入Ni支架可以有效提高机械稳定性，并增强除冰能力（Wu等人，2023）。将抑冰液与Ni支架和PDMS基体结合使用，实现了显著的防冰性和耐久性的提升，从而证明了新防冰构造的有效性。
材料
多孔镍（Ni）支架购自中国厦门的TMAX Battery Equipment Ltd.，厚度为0.3毫米，孔隙率在85%到90%之间。聚二甲基硅氧烷（PDMS）Sylgard 184购自美国加州的Dow Corning Ltd。甘油和乙二醇由英国Gillingham的Merck Life Science UK Ltd.提供。选择厚度为0.3毫米的铝板作为参考基底。
样品制备
Ni支架和铝基底都被切割成50毫米×20毫米的尺寸
表面形态
图1展示了NP-甘油、NP-乙二醇和Ni-PDMS的表面形态及横截面积。图1（a）（e）和（i）显示了通过光学显微镜（OM）获得的图像。裸露Ni支架的表面形态和横截面特征也在补充材料第1节的图S1中进行了说明。在图1（a）中，可以看到NP-甘油表面有许多黑点，这些黑点是PDMS填充物内部产生的孔隙。
结论
本研究设计并开发了一种新的防冰层结构，由气体（内部孔隙）/软聚合物/硬金属支架组成。同时实现了良好的防冰性能、稳定的除冰能力和机械耐久性要求。在固化过程中，部分抑冰液会蒸发，有助于在聚合物基体内形成均匀的多孔结构，从而形成多相防冰层。
作者贡献声明
吴梦娟：撰写——审稿与编辑、撰写——初稿、方法学、数据分析。王杰：撰写——审稿与编辑、撰写——初稿、验证、方法学、数据分析、概念化。凌三良：撰写——审稿与编辑、验证、资源管理、项目协调。Richard Whealthy：撰写——审稿与编辑、验证、监督、资源管理。沈一洲：撰写——审稿与编辑、可视化处理。
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所述的工作。
致谢
M.J.W.和J.W.对这项工作做出了同等贡献。作者感谢来自国家重点研发计划（2024YFE0212500）、国家自然科学基金（U2341264、52405199）、江苏省自然科学基金（BK20241068、BK20241428）、中国国家创新人才博士后计划（BX20240482）、中国博士后科学基金（2024M754127）以及的研究资助。
