具有低界面韧性的类砖泥双层复合涂层实现持久除冰

《Progress in Organic Coatings》：Brick-mud-like bilayer composite coatings with low interfacial toughness enable durable deicing

　　

# 摘要

低界面韧性涂层在风力涡轮机叶片的大规模除冰方面具有可观的应用前景，然而其耐久性仍是一个关键限制因素。本研究提出了一种受砖泥结构启发的双层硬-软涂层策略。硬表层与软基层之间的模量失配诱导界面空化并促进裂纹扩展，从而显著降低除冰力和冰层粘附强度。同时，硬表层为软基层提供了有效的物理保护，增强了涂层的耐久性。通过有限元仿真和分子动力学计算对硬-软结构进行了优化。采用逐层喷涂工艺在玻璃纤维基体上成功制备了双层复合涂层。系统性研究表明，模量和厚度在控制除冰性能和耐久性方面均发挥关键作用。当基层的模量为0.84 MPa、厚度约为160 μm，表层的模量为92 MPa、厚度约为55 μm时，涂层实现了0.0824 J/m2的界面韧性和37.4 N/cm的恒定除冰力。在模拟服役条件下的耐久性测试（包括水流侵蚀、砂纸磨损和结冰/除冰循环）证实了该双层涂层具有出色的长期稳定性。本研究为克服传统单层涂层中性能与耐久性之间固有矛盾提供了一种可行方案，并为先进除冰材料的开发提供了新的视角。

# 引言

风力涡轮机叶片面临严峻的结冰挑战[1]。冰层积聚会导致气动性能下降、产生异常机械载荷，并造成结构损伤，从而危及风力涡轮机的可靠运行[2],[3]。据报道，结冰可使发电量减少多达80%，相关能量损失超过年发电量的20%[4]。在极端条件下，风力涡轮机甚至可能无法启动，导致长时间停机。2021年2月德克萨斯州遭遇严重冬季风暴期间，大量风力涡轮机因叶片结冰而关停，导致数百万居民遭受长时间停电。叶片结冰主要发生在海拔1000米以上的高空区域，其中最典型的范围在2000至3000米之间。结冰事件主要集中在冬季，从11月下旬到2月。在此期间，单个风电场的累积结冰时长通常为8至20天，每年结冰事件的频率一般超过十次，这严重制约了风力发电项目的经济可行性和可靠性[2],[5],[6]。

为减轻叶片结冰，人们开发了多种主动除冰技术，包括电热、热风和机械方法[7]。电热和热风方法虽然有效，但能耗较高，会降低净发电量。此外，局部热应力可能引发叶片的热疲劳和结构损伤[7],[8]。机械除冰可避免高能耗，但反复的机械作用可能导致疲劳损伤。辅助装置可能破坏气动外形并降低效率，而系统在恶劣环境条件下的可靠性仍然有限[9]。因此，被动防冰和疏冰涂层因其零能耗的特点而受到了广泛关注[7],[10]。超疏水涂层依靠微纳表面结构与低表面能改性相结合来实现疏水性，可以延缓结冰并降低冰层粘附强度[11],[12],[13]。然而，在低温高湿条件下，它们容易因冷凝而失效[14],[15]，且其微纳结构容易受到损伤，导致性能退化[16],[17]。超润滑涂层通过形成润滑层来构建低粘附界面，可实现超低冰层粘附强度[18],[19],[20]。然而，润滑液会随时间推移而耗散，导致耐久性有限，限制了实际应用[21],[22],[23]。总体而言，防冰和疏冰涂层显示出应用前景，但在冻雨等极端条件下其效果有限。其表面结构容易受到雨水侵蚀和砂粒磨损，润滑层也会被耗散，难以满足风力涡轮机叶片通常需要超过20年的长寿命要求[24]。此外，当界面脱粘由断裂强度控制时，除冰力与冰覆盖面积呈正比关系。较大的冰面积需要更大的去除力，表明大面积除冰需要施加较大的外力[25],[26]。这种尺度效应对传统防冰和疏冰涂层应用于风力涡轮机叶片等大跨结构提出了根本性挑战。

2019年，Golovin等人[27]开发了一类低界面韧性材料，能够实现大面积除冰，使其特别适用于叶片等大面积部件。本质上，低界面韧性涂层可以通过将聚合物与增塑剂混合来制备[26],[27]。更具体地说，可以将聚二甲基硅氧烷（PDMS）与硅油和纳米二氧化硅粒子结合，以调控界面韧性并实现大规模除冰[28],[29],[30]。在PDMS涂层中引入多孔结构[31]以及引入压电振动[32]可以进一步降低冰与涂层之间的界面韧性。除了PDMS之外，聚氨酯基涂层也显示出大规模除冰应用潜力[33],[34],[35]。近期研究表明，超疏水[36]和超润滑涂层[37]也可以实现低界面韧性，表明其在大规模除冰方面具有潜力。然而，大多数现有研究聚焦于通过材料软化来降低除冰力，例如降低弹性模量、减小厚度或引入界面滑移层[26],[27],[28],[29],[30],[37],[38],[39],[40],[41]，而很大程度上忽视了耐久性。这些软材料设计往往以牺牲机械强度和抗外部损伤能力为代价来追求优越的除冰性能。结果，涂层在服役过程中容易出现机械退化和材料损失，导致除冰性能下降。据报道，在经过10、15和30次结冰/除冰循环后，恒定除冰力分别增加到70、80和64 N/cm，相对于初始值分别增加了41%、34%和88%，这表明性能出现了显著退化[29],[33]。风力涡轮机叶片恶劣的服役环境进一步加剧了这一挑战，其中雨水侵蚀涉及速度高达100 m/s的雨滴反复冲击，而砂粒侵蚀涉及硬质颗粒的持续磨损。这些条件对涂层长期耐久性提出了严格要求[24],[28],[29],[30],[33],[38],[39]。尽管如此，关于提高耐久性的研究仍极其有限。据作者所知，仅有一项研究通过增加润滑液储库容量来尝试延长涂层寿命[37]，但改善效果有限，且未解决根本问题。自然界常常通过精巧的复合结构来实现卓越的功能[7],[8],[10]。珍珠母是一种典型的天然生物复合材料，由交替排列的刚性文石片（即"砖"）和柔顺有机基质（即"泥"）组成，形成砖泥结构，实现了刚性与韧性之间的出色平衡。刚性砖相提供机械支撑和承载能力，而柔顺泥相通过粘弹性变形耗散机械能。此外，裂纹偏转、裂纹桥接和片层拔出等界面机制有效阻碍了灾难性断裂。受这一结构范式启发，我们将砖泥结构转化为双层硬-软复合涂层。相对较硬的表层作为保护性砖相抵抗外部损伤（包括雨水侵蚀和砂粒磨损），而软基层作为可变形泥相发挥作用。在除冰载荷下，软基层的变形促进界面空化和裂纹扩展，从而降低除冰所需力。通过这种机械功能的分工，硬层和软层协同工作，同时增强机械耐久性和除冰性能，为克服传统单层涂层中这些性能之间长期存在的权衡问题提供了一种策略。

受砖泥结构启发，本研究提出了一种双层硬-软复合涂层策略。硬表层与软基层之间的模量失配促进界面空化和裂纹扩展，从而降低界面韧性、除冰力和冰层粘附强度。同时，硬表层保护软基层，从而增强耐久性。采用有限元仿真阐明了模量和厚度在调控脱粘力和抗冲击性方面的作用，而分子动力学仿真则为聚合物选择提供了指导。通过逐层喷涂工艺在玻璃纤维基体上成功构建了双层复合涂层。通过系统研究聚合物类型、模量和厚度的影响，获得了一种兼具优异除冰性能和耐久性的低界面韧性复合涂层。此外，通过结冰/除冰循环、水流侵蚀、砂纸磨损、热老化和紫外辐照测试验证了涂层长期的除冰稳定性和实用适用性。

# 分节摘要

## 材料

基于环氧树脂和玻璃纤维的玻璃纤维增强塑料是一种常见的高性能复合材料，也是风力涡轮机叶片制造的理想材料。本研究采用该材料作为基体，尺寸为20 cm × 30 cm × 1 mm，由河北枣强金石玻纤有限公司提供。分子量为5000的羟基封端聚二甲基硅氧烷（PDMS）和环氧改性硅树脂购自深圳市贵有之家

## 双层涂层设计

本研究提出了一种受砖泥结构启发的双层硬-软涂层策略，如图2所示。在传统单层体系中，涂层的弹性模量对冰层脱粘行为起决定性作用[42]。降低模量可以改善除冰性能，但以牺牲机械完整性为代价，使涂层在外部冲击下容易受损。为解决这一权衡问题，双层硬-软复合涂层被设计用于集成

## 结论

我们开发了一种受砖泥结构启发的双层硬-软复合涂层，兼顾了大规模除冰性能和长期耐久性。通过结合有限元仿真、分子动力学计算和实验优化，我们建立了将层模量和厚度与除冰性能和耐久性联系起来的构效关系。优化后的涂层由硬表层（92 MPa，约55 μm，PDMS与环氧比为9:7）和软基层

# CRediT作者贡献声明

陶竹：撰写—审阅与编辑，撰写—初稿，验证，资源，方法论，调查，形式分析，数据整理。袁渊：撰写—审阅与编辑，监督，资金获取。倪春琴：验证，资源，方法论，调查。华旭江：验证，数据整理。葛育才：调查，数据整理。郭传德：资源，调查。廖瑞金：撰写—审阅与编辑，监督，资金获取。

# 利益冲突声明

作者声明不存在已知的可能影响本文所述工作的竞争性经济利益或个人关系。

# 致谢

本工作得到国家重点研发计划（编号：2024ZD0803100）、国家自然科学基金（编号：U23B20133）和中央高校基本科研业务费（编号：2025CDJZKKYJH-04）的支持。作者感谢重庆大学电子显微镜中心的贾家琪在样品显微照片拍摄方面提供的帮助。

陶竹 | 袁渊 | 倪春琴 | 华旭江 | 葛育才 | 郭传德 | 廖瑞金

重庆大学材料与化工学院，中国重庆，400044