Small | 光熱超疏水防/除冰技術：機遇與挑戰

背景介紹

冰雪是冬季的常見景象，但對于輸電線路、風力葉片、機翼等戶外設備而言，積冰卻是一場不容忽視的“白色災難”。開發低能耗、高效率的被動防/除冰技術，可有效降低防除冰過程所需能耗及污染，成了當前研究的熱點。受荷葉效應啟發，超疏水表面因獨特的固液接觸狀態，在防/除冰領域展現出巨大潛力。但單一超疏水表面在低溫高濕環境下并不穩定：水蒸氣會在微納結構中冷凝，破壞空氣層，使潤濕性從穩定的Cassie態滑向高粘附的Wenzel態，防冰性能隨之失效。此外，光熱轉換過程將太陽能直接轉化為熱能，為表面提供被動加熱方案，但傳統光熱材料多具親水性，長期戶外使用易被水、塵污染，導致性能下降。將超疏水性與光熱效應集成的光熱超疏水表面，既能通過光熱效應升溫抑制結冰，又能利用超疏水性降低冰層附著力、促進融冰滑落，成為一種極具潛力的被動防/除冰技術。

成果展示

基于此，中南大學能源科學與工程學院陳梅潔副教授等人系統梳理了光熱超疏水防/除冰技術的發展、協同設計與未來機遇，試圖為從實驗室走向實際應用提供理論指導。首先，從結冰與結霜的基本物理過程入手，分析了液滴凝固的四階段（過冷、再輝、等溫凝固、冷卻）與霜層蔓延的冰橋傳播機制，指出了界面溫度調控與潤濕性設計是實現被動防/除冰的關鍵。系統分析了光熱轉換與超疏水表面的協同設計原則。光熱設計思路，重點對比了非選擇性與選擇性吸收表面的差異。通過分析Cassie-Baxter態與Wenzel態的潤濕性轉變機理，提出了在結冰-融冰循環中實現自發去潤濕轉變的設計思路：多尺度結構的構建是實現超疏水性與光熱性能協同調控的關鍵。核心矛盾在于：超疏水所需的微納粗糙結構會增強中紅外吸收，破壞光譜選擇性。基于此，總結了兩類解決策略——在金屬基底上噴涂疏水吸光層，或在光熱層上覆蓋低發射率材料再修飾疏水層，從而實現光譜選擇性與超疏水性的平衡。

其次，面向復雜應用場景，探討了功能性光熱超疏水結構的拓展路徑。針對低光照或夜間場景，將相變儲熱材料與電熱輔助功能集成于表面，利用相變材料儲存日間余熱、夜間釋放，或通過電熱系統在極端條件下快速響應，實現全天候防/除冰。針對建筑玻璃、光伏面板等對透光性有嚴格要求的場景，總結透明光熱超疏水表面的設計策略——選擇性吸收紫外/近紅外波段、透過可見光，同時兼顧超疏水性與低發射率，為智能建筑與汽車玻璃的節能防冰提供新方案。

最后，針對光熱超疏水表面應用過程中的挑戰：長期穩定性、環境適應性、規模化制備與性能評價標準化。在穩定性方面，總結了鎧甲式保護結構、犧牲層、耐候性粘結劑及激光原位氧化等策略；在環境適應性方面，分析了超低溫高濕、低太陽輻射及夏季過熱工況的應對方案，提出通過智能響應材料實現自適應熱管理的思路；在規模化制備方面，指出了大面積均勻性、復雜曲面適應性及成本控制的難點，展望了卷對卷工藝、機器人輔助噴涂等先進制造技術的應用前景；在標準化方面，對比了當前冰粘附力、結冰延遲時間等測試方法的差異，亟需建立統一測試標準，促進其從實驗室走向市場。

本文從多學科交叉的視角，構建了超疏水光熱防/除冰技術的理論框架與技術發展路線。未來，通過工程熱物理、材料科學、機械工程與人工智能的深度融合，開發低成本、高耐久、智能響應的新一代光熱超疏水表面，并建立標準化的性能評價體系，有望推動這一綠色、高效的防/除冰技術從實驗室走向大規模工程應用，為航空航天、風力發電、電力傳輸及建筑節能等領域提供可靠的被動防冰解決方案。相關研究成果以“Superhydrophobic Solar Thermal Anti?Icing/Deicing: Opportunities and Challenges”為題發表于期刊Small，第一作者為碩士生姚保健，通訊作者為中南大學陳梅潔副教授。

該工作是團隊近期關于光熱利用技術最新進展之一。近幾年，在光熱領域，基于脫合金（ACS Applied Energy Materials, 2019, 2(9): 6551-6557）、電鍍（Applied Physics Letters, 2023, 122(6): 063301）、原位氧化（ACS Applied Energy Materials, 2023, 6(21): 10943-10950）實現了單組分、易拓展與高溫穩定的光熱選擇性吸收涂層，拓展了其在光熱蒸發淡水收集（Nano Letters, 2024, 24, 50, 16143-16150; Advanced Functional Materials, 2025, 35(52): e07761）、光熱除/防冰（Small, 2024, 20(32): 2312226; Advanced Functional Materials, 2025, 35(33): 2501463; Advanced Functional Materials, 2026, e31022）領域的應用。

圖1 光熱超疏水防/除冰技術研究框架

圖2 結冰結霜機理與被動防/除冰策略

圖3 光熱超疏水表面協同設計

圖4 多功能光熱超疏水防/除冰表面設計

圖5 光熱超疏水表面應用挑戰

https://doi.org/10.1002/smll.73254