基于原位合成的ZIF-67材料在碳纤维表面制备的稳健光热SLIPS（Surface-Lubricated Impact Prevention System），实现协同抗冰和除冰效果

时间：2026年3月16日

来源：Applied Surface Science

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光热SLIPS（FZPC/SiO₂-SO）涂层通过ZIF-67 MOF材料增强储油能力与毛细锁定效应，结合PDA辅助合成和氟硅烷接枝技术构建分级多孔结构，在60wt% SO浸润下实现15.8kPa超低冰附着力，耐30次除冰循环，同时利用碳纤维复合光热层可在2分钟内升温至67℃，48秒内完成冰融化，突破传统SLIPS润滑剂流失和单一功能的瓶颈，适用于风力涡轮机叶片、无人机机翼等低温高湿场景的抗冻融一体化涂层。

胡睿|余成豪|罗贤

中国陕西省西安市710072，西北工业大学固态加工国家重点实验室

摘要

在低温高湿度条件下，冰的积聚对交通运输、电力传输和航空航天工业构成了严重威胁。尽管超疏水表面可以延缓冰的形成，但其微/纳米结构往往会引发异质成核，并且在极端条件下容易失去抗冰能力。通过引入润滑层，含滑液的多孔表面（SLIPS）显著降低了冰的附着力并抑制了异质成核，展现出卓越的抗/除冰潜力。然而，传统的SLIPS存在润滑剂耗尽和锁油能力不足的问题，单一功能的SLIPS无法满足智能抗冰的需求。本文报道了一种新型的光热SLIPS（FZPC/SiO₂-SO），该表面通过在碳纤维（CF）上利用多巴胺（PDA）辅助和氟硅烷接枝实现原位ZIF-67生长，构建了具有双重储油库的分层多孔结构，从而实现协同抗冰和除冰效果。系统研究了其润湿性、储油能力、被动抗冰和主动除冰性能。结果表明，当FZPC与SiO₂的质量比为1:1且掺入60%的SO时，该涂层表现出最佳的综合性能：冰附着力极低（15.8 kPa），冻结延迟时间延长至593秒，并且在30次除冰循环后仍保持低冰附着力（≤24.4 kPa），与传统基于CF的SLIPS相比具有更好的油保持性和耐久性。光热测试显示，在1倍太阳辐射下，该表面可在2分钟内迅速升温至67°C，从而实现快速融冰（48秒内）。这种原位MOF改性的光热SLIPS突破了传统SLIPS中润滑剂流失和单一功能的瓶颈，为开发高度稳定和多功能集成润滑抗冰涂层提供了新策略。

引言

冰的形成虽然作为一种自然现象具有视觉吸引力，但对人类社会产生了巨大的负面影响[1]、[2]、[3]。在潮湿和零下温度条件下，积冰严重威胁了交通运输系统[4]、[5]、电力传输线路[6]、[7]、飞机[8]和风力涡轮叶片[9]、[10]的运行安全，导致重大经济损失甚至危及生命。近年来，超疏水表面（SHS）作为一种被动抗冰策略受到了广泛关注[11]、[12]、[13]、[14]。它们极高的接触角最小化了固液接触面积，从而延缓了异质成核并推迟了宏观冻结[15]、[16]、[17]。然而，SHS的微观/纳米级表面结构是一把双刃剑：表面缺陷和空气中的尘埃颗粒会成为活性成核位点，加速异质冰核的形成[16]、[18]、[19]、[20]。另一方面，在低温高湿度环境中，微小的过冷水滴会进入超疏水表面的微纳米结构中，在那里冻结并生长，与表面形成机械互锁[21]、[22]。这导致超疏水表面失去了抗冰能力[23]。相比之下，含滑液的多孔表面（SLIPS）利用光滑的低表面能润滑层，既降低了过冷水的异质成核温度，又抑制了颗粒污染，从而消除了优先成核位点[24]、[25]、[26]。SLIPS的除冰机制在于润滑层取代了空气层，减少了表面与冰之间的粘附力。过冷水滴不会渗透到涂层的微纳米结构中冻结，因此在低温高湿度环境中仍能保持稳定，具有更广泛的应用前景[27]、[28]、[29]、[30]。

自2011年Aizenberg模仿猪笼草植物原理展示SLIPS以来，这些表面因其卓越的被动抗冰和主动除冰性能而备受关注[31]、[32]、[33]。通过用润滑剂取代传统Cassie态表面的空气层，SLIPS将灾难性的Cassie到Wenzel穿透现象替换为稳定的“固体-润滑剂-液体”界面，该界面没有固定位点[34]。这一结构的核心在于润滑剂的选择：全氟聚醚[35]、[36]、聚二甲基硅氧烷[37]、离子液体[38]、[39]、生物油[40]、[41]、[42]和相变复合材料[43]、[44]等都已被广泛应用。这些润滑剂的表面张力均低于水，确保了完全铺展和不相容性，从而防止了水分夹带和冻结引起的失效[45]、[46]、[47]、[48]、[49]。然而，它们本身的低粘度使其容易受到剪切或重力作用导致的耗尽；同时，机械磨损或冰引起的多孔基底膨胀会降低孔隙密度，削弱保持润滑剂的毛细吸引力。这些因素共同缩短了使用寿命。此外，智能响应涂层的出现暴露了单一功能SLIPS的局限性[50]、[51]、[52]、[53]。因此，最近的研究将润滑剂与光热、电热或相变添加剂结合，提供按需热脉冲，实现在零下温度下的超快速除冰，同时保持原有的低附着特性[54]。

受此启发，本研究将ZIF-67引入SLIPS中。ZIF-67是一种金属-有机框架（MOF）材料，可通过相对简单的工艺合成，具有高孔隙率，使其成为理想的润滑液储存库[55]。此外，ZIF-67的引入为SLIPS系统引入了显著的毛细力，增强了其锁油能力。这一特性有效抑制了在高剪切、沙粒磨损或水冲击等恶劣条件下的润滑剂损失，最终延长了SLIPS的使用寿命。首先，在CF表面沉积一层多巴胺（PDA）作为活性粘合层，促进后续ZIF-67晶体的原位生长。然后，通过调节pH值（使用稀氨溶液），在保持ZIF-67结构完整性的条件下，使暴露在表面的钴离子与全氟十二烷基三甲氧基硅烷（FDTS）在碱性条件下水解生成的硅醇基团发生配位。这一过程有效地将全氟烷基链（−CF₃(CF₂)₇CH₂CH₂-）锚定在ZIF-67表面。制备的多孔粉末颗粒CF@PDA-ZIF67-FDTS（简称FZPC）和纳米二氧化硅构建了分层微纳米结构，进一步增强了毛细力。注入SO后，涂层表现出优异的低附着性能，使得水滴可以在小倾斜角度下从涂层表面去除。在光热除冰方面，FZPC中的CF-PDA复合层起着重要作用。PDA可以在400–800 nm范围内产生宽谱吸收，并有效将光能转化为热能。CF具有全谱吸收和低反射率，能够快速加热并在基质中均匀分散热量。实验表明，该涂层在单倍太阳光强度下可迅速升温，显示出优异的主动除冰性能。

基于上述设计策略，FZPC/Silica NPs SO涂层在低温高湿度环境中具有广泛的应用前景。例如，当涂覆在风力涡轮叶片表面时，它可以有效延缓冰的形成并减少冰的附着力，从而减轻结冰导致的发电效率下降和机械振动。对于在高海拔飞行中遭受结冰的无人机机翼，该涂层的优异光热性能可以实现快速融冰，从而提高飞行安全。此外，该涂层还可应用于输电线路绝缘子、轨道交通接触网等场景，提供长期、低能耗的抗冰和除冰解决方案。

材料

短碳纤维（CF，平均长度15–20 µm）购自中国江苏省宿迁市的Nakai新材料技术有限公司。盐酸多巴胺（DA，98%）、六水合硝酸钴（Co(NO₃)₂·6H₂O，99.99%）、1,2-二甲基咪唑（2-MIM，99%）、氨水溶液（NH₃·H₂O，25%）、1H,1H,2H,2H-全氟十二烷基三甲氧基硅烷（FDTS，97%）和疏水性二氧化硅纳米颗粒（Silica NPs，平均直径15 nm）购自上海Macklin生化技术有限公司。