成果简介
低能耗、高柔性的防冰/除冰涂层能更好地满足实际工程中的应用要求。
本文，北京理工大学姚寅 副教授、陈少华 教授团队等在《ACS Applied Materials & Interfaces》期刊发表名为“A Flexible and High-Efficient Anti-Icing/Deicing Coating Based on Carbon Nanomaterials”的论文，研究制备了一种基于碳纳米材料的主被动一体化防结冰/除冰涂层，该涂层不仅具有电热转换、光热转换和超疏水等多种功能，还具有适应曲面的大变形性。
该涂层由夹层结构的底层和顶层组成，前者包括由碳纳米管（CNT）和石墨烯密集混合而成的核心导电层和两层聚二甲基硅氧烷（PDMS）包裹层，后者则是填充有 TiN 和 SiO2 纳米颗粒的聚合物复合材料。实验研究表明，当本涂层仅在电场下工作时，可实现 90% 的电能转化为热能，仅2V电压就足以在400秒内将表面解冻到零下 20 度，而稍大一点的2.5V电压则可在200秒内使温度显著升高100 °C。因此，只需输入少量能量，就能实现快速、彻底的除冰/解冻。此外，涂层的憎水功能、电性能和电热转换性能在经过较大的弯曲变形或多次弯曲循环后几乎保持不变，从而确保了在平面和曲面上均具有出色的防冰/除冰效果。所有这些结果表明，本涂层具有高效、低能耗、全天候适应性强、柔韧性好等明显优势，对于不同形状的工业设备的防冻保护具有重要的实用价值。
图文导读
图1.GC片（步骤1）和GCPC样品（步骤2）的制造程序示意图。前者采用真空过滤法制备，后者由GC核心层、两个PDMS包裹层和由纳米颗粒填充的聚合物复合材料制成的顶层组成的底部部分形成。插图显示，GCPC样品可以承受较大的弯曲变形。
图2.GC、GCP 和 GCPC 样品的表面分析
图3.GCP和GCPC样品的表面润湿性
图4.电热转换性能的实验测量
图5.光热转换性能的实验测量
图6.（a） GCP 和 （b） GCPC-0.08 样品上水滴在没有任何外场的情况下结冰过程，以及 （c–f） GCPC-0.08 样品在不同电压下或在电压和光照的共同作用下结冰过程。
图7.除冰/除霜性能的测试结果
图8.GCPC-0.08样品在弯曲状态下的电热转换和除霜性能的实验测量
小结
本文制备了一种基于碳纳米材料的多层防冰/除冰涂层，该涂层不仅具有较高的能量转换效率，而且具有优异的柔韧性，可以满足不同形状或变形表面的防冻需求。制备由密集混合的碳纳米管和石墨烯制成的片材作为涂层的导电部分，通过PDMS层包裹以赋予涂层足够的柔韧性。这种三明治结构被填充有 TiN 和 SiO 的聚合物复合材料的顶层覆盖2纳米颗粒以获得最终涂层。在电场的唯一作用下，目前的涂层需要低至2 V的电压才能显着提高表面温度，防止结冰，并充分快速地去除冰/霜。这种所需的电压明显小于现有电热防冰/除冰策略中的对应电压。此外，涂层的柔韧性确保了防冰/除冰性能不会受到弯曲变形或基材形状的干扰。因此，该涂层可以有效地保护平面或曲面在很小的电能输入下不被冻结，而应用额外的光照有助于进一步降低电能消耗。该涂层具有明显的能量利用效率高、对不同天气条件的广泛适用性、对基材形状或变形的良好适应性等优点，便于工业设备防冻中的实际应用。
文献：https://doi.org/10.1021/acsami.4c06682
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