《Surface and Coatings Technology》：All-weather anti-icing/deicing of photo-electrothermal multilayer substrate coupled with photo-electrothermal and highly-efficient thermal management
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光-电-热超疏水涂层结合多层复合基板有效缓解非均匀光照下的表面温度不均和夜间功能失效问题，在1 sun光照下表面温度达58.2℃，结冰延迟321.4秒，完全融冰仅需140秒，并通过风力涡轮机叶片模型验证了其在所有天气条件下的高效低能耗融冰应用可行性。
谢振婷|谭文江|龚新月|何学锋|周圆|田叶|王洪|陈蓉
重庆理工大学物理与新能源学院，重庆，401135，中国
摘要
光热材料通过太阳能-热能转换实现户外设备的被动除冰，但在非均匀光照条件下表面温度分布不均，夜间会失去功能，从而大大降低实际的防冰/除冰效率。为了解决这些问题，制备了一种具有优异超疏水性、机械耐久性和化学稳定性的光热电超疏水涂层，并合理构建了由隔热层、热扩散层和制备好的光热电超疏水层组成的多层复合基底。系统的性能测试结果显示，在1太阳光照下360秒内，该基底表面温度可升高至58.2°C；在-30°C时，超长结冰时间为321.4±50.3秒；在1太阳光照下140秒内可完全除冰。此外，还使用风力涡轮叶片模型进行了工业应用模拟测试，系统评估了该多层基底的抗冰/除冰性能。结果表明，超疏水自清洁特性、光热电转换和高效协同热管理的协同作用使该多层基底实现了全天候、高效率、低能耗的防冰/除冰效果，具有广泛的应用前景。
引言
户外设备表面的结冰给人类生活和工业生产带来了诸多不便和经济损失，甚至威胁生命安全。光热材料可将太阳能转化为热能，提高材料表面温度，从而融化表面积聚的冰层，为解决表面结冰问题提供了新方法[1]、[2]。与传统除冰方法（包括机械除冰、化学除冰和电热除冰）相比，太阳能光热除冰具有经济、环保和非接触等优点。此外，在实际应用中无需人工操作，也不会损坏原有结构，因此受到广泛关注[3]、[4]、[5]、[6]。
近年来，许多学者基于金属、半导体、碳基和聚合物光热材料开展了大量研究[7]、[8]、[9]、[10]、[11]。为了提高光热防冰和除冰效率，学者们提出了多种增强材料性能的措施。吴等人[12]使用廉价烛烟制备了超疏水光热材料，光热和超疏水性能的协同作用实现了高效防冰和除冰效果。光热效应可快速融化冰滴，而超疏水自清洁效应能迅速清除融化的液滴，有助于材料长时间保持优异的光热性能。此外，还有研究表明，通过减少热量损失来保持表面热量也能实现高效防冰和除冰[13]、[14]、[15]、[16]。在我们之前的研究中[17]，通过在材料内部构建微孔结构，有效降低了光热材料表面向过冷基底的热传导损失，使表面热量积累达到较高温度，从而实现高效防冰和除冰。马等人[18]制备了具有高太阳能吸收率（>0.9）和低红外发射率（<0.2）的超疏水光热材料，其光热转换效率高达71%，远高于非选择性吸收材料（54%）。因此，上述研究表明，通过制备具有优异光热和超疏水特性的超疏水光热材料并最小化材料的热量损失，可以实现更高的光热防冰和除冰效率。然而，大多数研究仅在理想均匀光照条件下进行验证，很少考虑实际户外使用条件下光热表面在非均匀光照下的严重温度不均匀性问题，这会导致局部除冰失败，大大降低实际防冰/除冰效率。
在实际工业应用中，太阳能具有间歇性，导致光热材料在夜间无法发挥其除冰效果。相变材料可以自动调节热量供需平衡，被认为是解决太阳能间歇性问题的有效方法[19]、[20]、[21]。朱等人[22]制备了具有储能特性的光热材料，白天光热转换可将多余热量储存在相变材料中，夜间释放热量以提高材料的防冰和除冰性能。然而，一些研究表明，材料的有限储能能力使其在夜间长时间低温条件下难以实现防冰和除冰效果[23]、[24]。电热除冰技术可实现快速有效的除冰，被认为是解决冰层积聚问题的最实用方法之一[25]、[26]。刘等人[27]制备了具有光热和电热特性的超疏水涂层，白天光热转换可使表面温度保持在0°C以上，实现防冰和除冰效果；在阴天或极冷天气下，对涂层施加电压产生焦耳热也能实现防冰和除冰效果。然而，在能量供应不足的应用中如何降低功耗仍是一个亟待解决的问题。此外，阳光的强度和位置会随时间变化，云层、物体等遮挡会导致材料表面阳光密度不均，降低光热防冰和除冰效率[28]、[29]。这种非均匀光照是风力涡轮叶片等户外设备实际运行的常态，已成为限制光热防冰/除冰技术实际应用的关键瓶颈。
本文将导电碳粉、碳纳米管和环氧树脂结合，通过一步喷涂法制备了光热电超疏水涂层。砂纸磨损、胶带剥离和溶液浸泡测试表明，该涂层具有优异的机械耐久性、稳定性和化学稳定性。光热和电热的协同作用实现了全天候的防冰和除冰效果。为进一步提高涂层的防冰和除冰性能，构建了由隔热层（抑制热量向冷基底的纵向损失）、热扩散层（实现均匀的横向热扩散）和光热电超疏水层组成的多层复合基底。数值模拟和实验结果验证了多层基底设计的必要性和合理性。通过测试单滴水滴在表面的撞击反弹、结冰延迟和融化过程，验证了多层基底的协同防冰和除冰机制。最后，以风力涡轮叶片为应用对象，分别测试了温度均匀性、防冰和除冰性能，验证了多层基底的实际应用可行性。结果表明，该多层基底可实现全天候、高效率、低能耗的防冰和除冰目标，在实际工业应用中具有广泛的应用前景。
材料与化学品
导电碳粉（CCP，平均粒径30–40nm）和碳纳米管（CNTs，平均直径50nm，长度<10μm，纯度95%）购自江苏先锋纳米材料科技有限公司，用作核心光热和电热功能填料；聚四氟乙烯粉（PTFE，平均粒径1–3μm）购自东莞华创塑料制品有限公司，用于构建低表面能超疏水层
结果与讨论
多层复合基底（PE@TS/TI）的制备过程如图1a所示，详细内容见2.2节。简要来说，首先在0.3mm厚的铝基底上依次粘贴PDMS隔热层（TI）和石墨热扩散层（TS），然后将制备好的光热电超疏水喷涂液喷涂在TS层上，60°C下固化4小时后，得到最终的多层复合基底。
图1b
结论
主要结论如下：
1) 通过一步喷涂法成功制备了具有优异综合性能的光热电超疏水涂层，并在此基础上合理构建了由隔热层、热扩散层和制备好的光热电超疏水层组成的多层复合基底（记为PE@TS/TI）。2) PE@TS/TI多层基底采用三层结构作者贡献声明
谢振婷：撰写——初稿撰写、验证、概念构思。
谭文江：可视化、数据分析。
龚新月：可视化、方法学研究。
何学锋：撰写——审稿与编辑、数据管理。
周圆：验证、软件应用。
田叶：验证、软件应用。
王洪：监督、资源协调。
陈蓉：监督、资源协调。
利益冲突声明
作者声明没有已知的可能影响本研究的财务利益或个人关系。
致谢
作者感谢国家自然科学基金（项目编号：52506068、52406220）、重庆市教育委员会科研计划项目（项目编号：KJQN202201123、KJQN202401146）提供的研究资助。
