慧正資訊：戶外基礎(chǔ)設(shè)施和工程裝備（主要包括風(fēng)電葉片、輸電線路、飛機(jī)、海上石油平臺(tái)等）表面覆冰時(shí)存在安全隱患，易造成嚴(yán)重的人員傷亡和重大的經(jīng)濟(jì)損失。

輸電塔、飛機(jī)表面覆冰

用于戶外基礎(chǔ)設(shè)施表面的防冰涂層在露天場(chǎng)景下不可避免受到如冰雹、沙塵暴、高空異物等撞擊，導(dǎo)致表面發(fā)生嚴(yán)重的機(jī)械損傷，降低防冰涂層的使用壽命。同時(shí)機(jī)械損傷對(duì)于涂層的防/除冰性能的可能產(chǎn)生的負(fù)面影響也缺乏深入的研究討論。如何理解并克服機(jī)械損傷對(duì)于防冰涂層的影響是防冰領(lǐng)域面臨的關(guān)鍵難題。

飛機(jī)表面涂料層損傷開(kāi)裂

開(kāi)發(fā)具有自主愈合能力、克服機(jī)械損傷，能夠?qū)崿F(xiàn)戶外長(zhǎng)效防除冰的新型防冰涂料對(duì)于實(shí)際應(yīng)用具有重要意義。天津大學(xué)化工學(xué)院張雷、楊靜團(tuán)隊(duì)長(zhǎng)期從事自愈合、防冰抗凍材料的研究，團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)的基于多重動(dòng)態(tài)鍵的“全天候”自愈合材料首次實(shí)現(xiàn)了在低溫、水下、強(qiáng)酸/堿等極端環(huán)境的自主自愈合（Nat. Commun. 2020, 11, 2037），之后團(tuán)隊(duì)將該材料與氟化石墨烯結(jié)合，制備出自愈合光熱防冰涂層（Small 2023, 19, 2206075）應(yīng)用于實(shí)際防/除冰工作。

天津大學(xué)化工學(xué)院張雷課題組

① 天大團(tuán)隊(duì)首次揭示機(jī)械損傷對(duì)涂料防/除冰性能的影響機(jī)制

近日，天津大學(xué)化工學(xué)院張雷、楊靜團(tuán)隊(duì)在Science合作期刊《Research》（IF=11.036）上發(fā)表了題為“Inhibition of Defect-Induced Ice Nucleation, Propagation, and Adhesion by Bioinspired Self-Healing Anti-Icing Coatings”的研究論文。首次系統(tǒng)地揭示了涂料表面機(jī)械損傷對(duì)涂料防除冰性能的影響機(jī)制，并提供了一種在低溫下可自主自愈合的仿生防冰涂料。天津大學(xué)化工學(xué)院博士研究生田澍為論文的第一作者，張雷教授和楊靜副教授為通訊作者，天津大學(xué)化工學(xué)院為第一單位，合作單位為濱州魏橋國(guó)科高等技術(shù)研究院。該研究得到了國(guó)家自然科學(xué)基金的支持。

② 防冰涂料損傷后反而“促結(jié)冰”

該工作首先通過(guò)實(shí)驗(yàn)配合理論計(jì)算，探究了涂料損傷缺陷處的結(jié)冰過(guò)程。通過(guò)高速攝像觀察到，低溫下缺陷處優(yōu)先產(chǎn)生冰晶進(jìn)而擴(kuò)散至整個(gè)水滴完全結(jié)冰。已凍結(jié)的水滴會(huì)以缺陷為“橋梁”，向鄰近水滴進(jìn)行冰晶的擴(kuò)散傳遞，最終使相鄰水滴凍結(jié)。通過(guò)第一性原理和有限元計(jì)算發(fā)現(xiàn)，涂料缺陷處與水分子的吸附能力更強(qiáng)、傳熱速度更快，因此冷凝水更容易在缺陷處成核結(jié)冰。另外，缺陷處結(jié)冰后會(huì)與冰形成嵌入式“互鎖結(jié)構(gòu)”，增加了冰在涂料表面的粘附強(qiáng)度和除冰難度。缺陷誘導(dǎo)冰成核、傳遞、粘附的過(guò)程如圖1所示。值得注意的是鋼板表面冰成核溫度是-13.6℃，而損傷后涂料表面冰成核溫度為-9.5℃，說(shuō)明損傷使涂料從“防結(jié)冰”變?yōu)椤按俳Y(jié)冰”。

損傷表面的冰擴(kuò)散

圖1 缺陷誘導(dǎo)涂料表面冰成核、擴(kuò)散傳遞以及冰粘附行為和機(jī)制

③ 仿抗凍蛋白材料實(shí)現(xiàn)涂料表面冰的“防結(jié)易除”

該團(tuán)隊(duì)研究挖掘了天然抗凍蛋白的關(guān)鍵抗凍模塊（冰結(jié)合位點(diǎn)IBS與非冰結(jié)合位點(diǎn)NIBS），通過(guò)模擬IBS與NIBS抗凍模塊，構(gòu)建了仿抗凍蛋白聚合物PDSB，并加入到自愈合材料基質(zhì)中，制備了兼具優(yōu)異防結(jié)冰和易除冰性能的自愈合防冰涂料。

圖2 仿抗凍蛋白聚合物及防冰涂料的設(shè)計(jì)示意圖

該防冰涂料通過(guò)PDSB的“NIBS”模擬模塊結(jié)合水分子，降低表面冰非均相成核溫度，通過(guò)“IBS”模擬模塊抑制冰晶擴(kuò)散傳遞，提高了涂料的防結(jié)冰性能。結(jié)果表明，與鋼板相比，該涂料的冰成核溫度降低了-15.8℃、結(jié)冰延遲了48.4倍、冰擴(kuò)散速度下降兩個(gè)數(shù)量級(jí)。此外，涂料通過(guò)低表面能結(jié)構(gòu)以及兩性離子SB鏈段與界面水分子形成的不凍結(jié)水，降低了涂料的冰粘附強(qiáng)度，提高了涂料的除冰性能，冰粘附強(qiáng)度僅為空白鋼板的1/23（圖3）。

圖3 仿生自愈合防冰涂料的防結(jié)冰/除冰機(jī)制及性能

④ 多重動(dòng)態(tài)鍵實(shí)現(xiàn)涂料低溫下自主自愈合及戶外長(zhǎng)期使用

該涂料通過(guò)材料分子結(jié)構(gòu)中的強(qiáng)氫鍵、弱氫鍵、二硫鍵以及靜電相互作用實(shí)現(xiàn)優(yōu)異的低溫自愈合性能，表面損傷缺陷在-20℃下可實(shí)現(xiàn)自主愈合，愈合后的力學(xué)性能、防結(jié)冰性能（成核溫度、結(jié)冰延遲時(shí)間）以及除冰性能（冰粘附強(qiáng)度）均得到良好的恢復(fù)，從而有效抑制缺陷誘導(dǎo)的冰成核、傳遞和冰粘附。該工作與目前國(guó)際上已報(bào)道的防冰涂料相比，不僅可以在低溫下自主愈合，還可以同時(shí)抑制冰成核、傳遞和粘附，具有環(huán)境適應(yīng)性和大規(guī)模涂裝潛力，為應(yīng)用于戶外易損傷環(huán)境下防冰涂料的研發(fā)提供了新思路（圖4）。

圖4 仿生自愈合防冰涂料-20℃下的自愈合性能及同已報(bào)道的防冰涂料性能對(duì)比