飞机涡轮风扇发动机进气口在寒冷运行条件下容易结冰，这会损害发动机性能并危及飞行安全[1]。在高速度运行期间，发动机产生强烈的吸力以吸入环境空气，气流速度的增加会导致静温下降。如果环境中含有由水分积聚形成的高浓度亚稳态过冷水滴，这些水滴会迅速附着在叶片上并冻结。一方面，不均匀的冰层堆积会破坏进气流场，降低压缩机和整个发动机的运行稳定性，甚至导致瞬态推力损失。另一方面，从叶片上脱落的冰块会对转子叶片、燃烧室甚至涡轮叶片造成严重损坏，从而严重危及飞行安全。因此，开发高效可靠的航空发动机叶片防/除冰技术对于确保飞机飞行安全和维持稳定的发动机性能至关重要。
近年来，航空发动机叶片的主要防/除冰技术包括基于疏水涂层/微结构表面的防冰[2]、[3]、[4]、[5]、[6]、[7]、热空气防/除冰[9]、超声波防/除冰[10]和电热防/除冰[11]、[12]。其中，电热防/除冰因其快速响应速度、高可控性和良好的能效而受到了广泛的研究关注。尽管传统的镍铬合金等电热材料具有令人满意的导电性[13]、[14]、[15]，但其固有的刚性、高密度、易局部变形以及与复合材料系统的兼容性差限制了其在轻质和特殊形状的航空部件中的应用[16]、[17]。因此，开发具有轻质、柔性和高电热转换效率的新型电热材料在这一领域变得至关重要。
随着纳米材料的快速发展，碳材料（如石墨烯和碳纳米管）逐渐显示出替代传统金属电热材料的巨大潜力，因为它们具有优异的导电性、高导热性和内在的柔韧性。近年来，它们在航空发动机防/除冰中的应用引起了显著的研究兴趣[18]、[19]、[20]、[21]。在碳基电热材料中，碳纤维增强复合材料是较早的研究方向之一。研究表明，优化纤维排列和间距可以有效提高电热加热的均匀性。例如，在特定间距条件下，局部温差可以控制在5°C以内，从而在一定程度上缓解了热点问题。然而，这类材料的整体加热速率仍然相对较低，无法满足快速防/除冰的工程要求[22]。石墨烯因其超高的导电性、优异的导热性和出色的柔韧性而被广泛用作防/除冰电热材料。例如，Wang等人[23]通过将石墨烯与纳米颗粒结合制备了一种电热超疏水涂层，在50 V电压下实现了快速加热和除冰。然而，这种基于涂层的材料存在纳米填料在涂层基质中分布不均匀的问题，这会在导电网络中引入缺陷，进一步导致微裂纹和电路断裂，严重影响防/除冰性能的长期稳定性。此外，涂层与基底之间的兼容性差也是其工程应用中的另一个关键挑战。损伤形态分析表明，电流会在环氧树脂基质中引起界面剥离，伴随基质开裂和分层[24]。因此，迫切需要提出新的设计概念和制造策略来解决碳基电热材料的不稳定电性能和基底兼容性问题。
值得注意的是，大多数现有的电热防/除冰材料研究都集中在平面系统上。然而，在实际工程应用中，涡轮叶片和飞机风扇叶片等核心部件具有不规则的曲面，这使得表面适应性成为电热防/除冰技术实际应用的关键挑战[25]。为了适应这些不规则或可变形的表面，研究人员开发了基于软聚合物基底的柔性电热涂层，这些涂层结合了金属纳米线或碳纳米材料以赋予涂层电热功能。这些涂层在反复弯曲变形后仍能保持其电热性能，从而在一定程度上提高了表面适应性。即便如此，柔性电热涂层仍然无法克服基于涂层的材料的固有缺点，即纳米填料的离散和非均匀分布以及机械载荷下的易断裂性。此外，这类材料通常需要较高的工作电压才能实现有效加热，这增加了工程应用中的能耗成本。更关键的是，当前的研究主要集中在优化规则几何形状（如矩形或正方形）材料的电热性能上，而对航空航天应用中不可或缺的不规则结构（如航空发动机叶片）的均匀电热加热研究较少。这一研究空白未能满足实际工程需求，成为限制电热防/除冰技术发展的主要瓶颈。
玻璃纤维织物（GFF）是一种典型的增强材料，具有三维网络结构，它是通过将微米级玻璃单丝束合成纱线，然后通过特定的编织工艺将纱线交织在一起制成的。它具有高机械强度、优异的柔韧性和较大的比表面积，因此在国防、航空航天等高科技领域得到了广泛应用[26]、[27]。在我们之前的工作中，采用CVD技术在玻璃纤维织物的每根单纤维表面生长连续的石墨烯薄膜，实现了石墨烯在GFF上的共形生长，即石墨烯包覆玻璃纤维织物（GGFF）[28]、[29]。GGFF不仅保留了GFF基底固有的柔韧性和轻质特性，还具有良好的导电性，在航空发动机防/除冰方面显示出相当的应用潜力[30]。这种材料有效解决了传统金属电热材料集成到树脂基复合材料系统中时存在的界面粘结强度低和稳定性差的问题。在纤维表面形成的连续石墨烯网络提供了均匀的平面导电路径，确保了GGFF的长期稳定电热性能。此外，GGFF与复合材料系统和航空航天制造工艺的兼容性也非常好，这与现代航空发动机的轻量化设计趋势高度一致。然而，将GGFF作为具有复杂和不规则几何形状的航空发动机叶片的电热功能层仍然面临关键挑战。传统的双电极配置无法在不规则叶片表面上保持一致的电极间距。结果，电流优先沿着两个电极之间的最短路径流动，这不可避免地导致叶片表面温度分布的显著不均匀性，从而严重阻碍了GGFF的实际工程应用[31]。
为了解决上述挑战，本研究提出了一种基于并行分割和差异化片电阻调节的分区电热策略，以实现不规则表面上的均匀加热。首先，通过并行分割将不规则的叶片系统地划分为几个近似梯形的子区域，以确保每个子区域内的电极几乎平行。然后，通过理论计算确定每个子区域所需的片电阻，从而指导制备具有设计片电阻值的GGFF。随后，通过热喷涂和焊接技术将电热组件集成在一起，再与树脂基质共固化。这种制造工艺生产出结构集成且工艺兼容性良好的复合航空发动机叶片。总体而言，这项工作为在复杂形状的航空航天结构上实现高效和均匀的防/除冰提供了工程上可行的材料和设计策略。
