综述：对光热超疏水涂层原理的深入了解、抗冰/除冰技术的最新进展、前沿应用以及未来面临的挑战

《ADVANCES IN COLLOID AND INTERFACE SCIENCE》：Insight into the principles of photothermal superhydrophobic coatings, recent advances in anti-/de-icing, frontier applications and future challenges

光热超疏水涂层通过整合光热转换与超疏水特性，实现高效防冻和除冰，在风能、航天、交通等领域具有重要应用价值，但存在机械耐用性、大规模制备、环保性等挑战，未来需从材料创新、工艺优化等多维度突破。

　　

刘子龙|徐倩|朱月琦|徐年|楚华强|王健

安徽工业大学能源与环境学院，中国安徽省马鞍山市243002

摘要

光热超疏水涂层源于光热性能与超疏水特性的协同整合。这种双重防冰和除冰保护系统在基础研究和技术创新中具有极高的价值，在风能、航空航天、交通运输等领域展现出广泛的应用前景。尽管光热超疏水涂层在能效和防冰效果方面明显优于传统除冰方法，但在实际应用中仍面临诸多挑战。本文综述了光热超疏水涂层在防/除冰方面的最新进展。首先解释了超疏水涂层的基本原理，包括接触角滞后现象、光热转换机制及其影响因素。基于功能化设计，详细介绍了光热超疏水涂层在四个领域的最新研究成果和技术突破：防/除冰、自修复、透明自清洁和全天候防冰。通过工程应用案例分析了其在风能、航空航天、电力和通信以及交通运输领域的当前应用情况。最后，从材料创新、工艺优化、结构设计等多个维度探讨了涂层在机械耐久性、大规模制备、环境保护、透明性和全天候适应性方面的挑战，并提出了未来的发展方向。

引言

在寒冷季节或高海拔环境中，结冰现象犹如“隐形灾难”。风力涡轮叶片上的冰层积聚会大幅降低风能捕获效率，可能导致涡轮机完全停机甚至叶片结构断裂[1]；飞机机翼结冰会破坏气流稳定性，导致操控性能下降、升力减少，甚至失去控制[2]；高压输电线结冰会导致线路下垂和塔架倒塌，直接威胁电力系统的安全[3]。结冰造成的经济损失和安全风险使得“如何高效预防结冰并迅速处理结冰”成为亟待解决的问题。防/除冰技术研究和开发的核心目标是防止冰层形成，并在冰层形成后以低成本将其清除。

在寻找高效防/除冰解决方案的过程中，生物界的“防水智慧”为人类提供了重要启示。例如荷叶表面的自清洁现象[4]、水黾在水面上的自由移动[5]、蝴蝶在雨中的飞行[6]以及猪笼草独特的捕虫结构[7]等。随着技术的进步和应用场景的复杂化，超疏水表面正逐渐向多功能集成发展，例如在油水分离[8]和防冰[9]中的应用（图1(a)）。由于超疏水表面可以通过减少固液接触面积来抑制结冰，因此已成为被动防冰技术的重要研究方向。然而，在低温条件下，单一的超疏水特性容易引发“机械互锁”现象[10]。为克服这一限制，研究人员将光热转换功能与超疏水性能相结合，通过将光热材料融入超疏水涂层中，实现了对太阳辐射的有效吸收和热能转换。Web of Science数据库中与“超疏水性”和“光热”相关论文数量的显著增加充分证明了这一领域的研究热情（图1(b)）。基于被动防冰和主动光热除冰的协同机制，研究人员成功开发出了一种新型防冰材料系统——“光热超疏水涂层”。

尽管对光热超疏水涂层的研究已经开始揭示其结构与性能之间的内在关系，但对关键方面的全面统一理解仍尚待完善。这些方面包括界面能量传递机制、润湿性的精确控制、接触角滞后现象的成因、标准化测量系统以及影响光热材料能量转换效率的关键因素。这一知识空白给实现涂层性能的精确控制带来了巨大挑战。随着研究的深入，光热超疏水涂层的功能正在从单一的防/除冰领域扩展到多功能集成。通过引入自修复成分（如动态化学键[10]、低表面能载体[11]或形状记忆聚合物[12][13]），这些涂层能够在受到机械损伤后重新恢复超疏水性，从而显著提升环境适应性和耐久性。透明性的持续改进使得光热超疏水涂层能够在对透光要求严格的场景中得到应用，例如光伏面板[14][15]和汽车玻璃[16]。为了进一步提高其在恶劣环境（如阴天、低温或阳光不足条件）下的适应性，研究引入了相变材料（PCM）[17]或外部电源[18]以实现全天候防/除冰功能。借助这些多功能集成优势，这类涂层的应用范围已超越了最初的风能[19]和航空航天[20]领域，扩展到电力传输和电信（例如绝缘体[21]、电缆[22]）以及交通运输（例如汽车挡风玻璃[23]、混凝土结构[24]）等关键行业，展现了显著的工程应用潜力和广阔的工业化前景。

尽管对光热超疏水涂层的研究已持续十多年，学术界在材料系统开发和性能优化方面取得了显著进展，但在解决关键科学问题（如超疏水性与光热性能之间的协同机制）以及推动工业化方面仍存在诸多不足。首先，尚未出现统一的理论来解释超疏水表面上接触角滞后的形成机制；其次，不同的测量方法使得性能数据难以直接比较和科学评估；此外，光热转换过程受多种因素影响（如材料类型[25]和形态结构[26]），其协同效应和主导机制尚不明确，阻碍了光热材料的合理设计和精准选择。现有的防/除冰性能研究大多依赖于静态实验室环境，无法充分模拟复杂实际条件（如强风、高湿度和频繁的冻融循环），导致实验室结果与实际应用结果存在较大差异。更为严重的是，涂层的长期耐久性（包括抗紫外线老化[27]、机械磨损[28]和化学腐蚀[29]）、生产可扩展性以及在恶劣条件下的全天候可靠性仍是制约其工业应用的核心瓶颈。

基于当前研究现状和存在的不足，本文旨在表明光热超疏水涂层的未来发展远不止是简单性能的叠加。该领域正处于一个关键的范式转变阶段，正从追求单一功能的极致性能转向多种功能的协同整合。然而，这种整合带来了前所未有的挑战，核心问题在于多功能性、耐久性以及全天候防冰等需求之间的平衡。本文将围绕这一核心论点，系统回顾从基础机制到前沿应用的最新进展。首先深入探讨超疏水表面和光热转换的基本机制，重点分析接触角滞后的主要测量方法以及光热转换效率的多因素依赖性。这一基础层面的复杂性预示了构建高可靠性涂层的挑战。随后，在“功能集成”主题的指导下，本文批判性地评估了被动防冰/主动除冰、自修复、透明自清洁和实现全天候防冰的协同策略等前沿领域的研究进展。通过代表性工程案例研究，评估了涂层在不同应用场景中的具体表现及现有解决方案的局限性。最后，从材料创新、工艺优化和结构设计等多个维度提出了未来发展方向，为推动该技术的实际应用提供了理论指导和技术路径。

生物启发的超疏水表面

经过漫长的进化过程，自然界中的生物体发展出了复杂的表面微/纳米结构，以适应恶劣环境并增强生存竞争力。这些微纳复合结构与液体之间的相互作用产生了独特的固液界面润湿特性[54][55]。基于这种独特的表面润湿性，材料可以被赋予多种功能特性。例如，鸭羽毛的微沟结构使得...

防/除冰涂层的最新进展

作为功能材料领域的前沿方向，光热超疏水涂层近年来在防/除冰[124]、能量转换[125]和自清洁[126]等领域展现出革命性潜力。其核心优势在于光热效应与超疏水性的协同作用。光热超疏水涂层可以通过光热转换主动融化冰层或污渍，同时被动阻止液滴附着...

光热超疏水防/除冰涂层的多领域应用

冰层形成和积聚在多个关键领域带来了严峻挑战，包括风力涡轮叶片[200][201]、航空航天设备[202]、电力和电信基础设施[154][203]、交通基础设施[186][204]、建筑结构[24][205]以及海上工程装置[206][207]（图14）。传统的除冰方法（如机械振动[208][209][210]、化学溶剂[211][212]或电加热...

结论

总结而言，本文系统回顾了光热超疏水涂层在防冰和除冰领域的最新发展与应用前景。文章首先阐述了超疏水表面的理论基础，包括经典的润湿模型和接触角滞后的测量方法。随后重点分析了光热转换机制中的三个核心要素：LSPR、NRR和MTV。

CRediT作者贡献声明

刘子龙：撰写——初稿，验证。 徐倩：方法论，概念化。 朱月琦：验证。 徐年：数据整理。 楚华强：撰写——初稿，监督，项目管理。 王健：监督，方法论。

未引用参考文献

[141], [142], [143], [145], [147], [148], [150], [152], [153], [155], [156], [157], [159], [160], [161], [162], [163], [164], [165]

利益冲突声明

作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究工作。

致谢

作者感谢安徽省自然科学基金项目（编号：2008085J25）和安徽省高校自然科学研究项目（编号：KJ2020ZD29）对本文研究的财政支持，以及安徽工业大学“大学生创新创业培训计划”项目（编号：202510360117）对本文研究的财政支持。