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  功能單元的多尺度結構調控與界面作用協同，是決定功能高分子涂層性能上限的核心因素之一。然而在傳統光熱滑爽防除冰涂層領域，單一尺度功能填料設計難以兼顧弱光光熱轉換效率、動態工況下潤滑劑穩定性與機械魯棒性，導致涂層在戶外實際應用中常面臨“光熱低效—潤滑劑流失—結構易損”的三重性能瓶頸。如何通過精準設計多尺度單元的空間構型，結合高分子基體的“剛柔平衡”分子設計，打破各項功能之間固有的性能權衡制約，一直是光熱防除冰涂層領域的關鍵挑戰之一。

圖1 （a）FSi@CAA@HSi氣凝膠微球的自組裝結構。（b）光熱滑爽聚脲涂層的制備過程。

  近期，上海交通大學航空航天學院黃小彬研究員團隊聯合中國航空工業集團公司濟南特種結構研究所，從生物體“剛性骨骼 - 柔性肌肉”協同機制中汲取靈感，提出創新仿生“陰陽耦合”設計原理——“陽”代表剛性結構單元，保障涂層整體穩定性與功能完整性；“陰”代表柔性功能組分，調控光熱吸收、表面滑爽等動態功能。

  2026年1月24日，該工作以“Robust Multiscale-Nanoconfinement Photothermal Slippery Polyurea Coatings: Enabling Efficient Anti- and De-Icing under Weak Solar Irradiance”為題發表在《Advanced Functional Materials》上。文章第一作者是上海交通大學博士生徐世玉。

  基于該原理，團隊構建了具有微/納/納多尺度納米限域效應的氟硅基@碳氣凝膠@空心硅基（FSi@CAA@HSi）氣凝膠微球，作為涂層核心功能單元 （圖1（a））。其中，空心硅基（“陽”— 剛性）不僅優化光熱路徑，還能有效抑制碳氣凝膠團聚，為微球提供穩定結構骨架；碳氣凝膠與氟硅基納米域（“陰”— 柔性）則構建多級光捕獲結構，增強弱光吸收效率并固定光熱組分。將該微球與潤滑劑及聚脲基體復合，形成光熱滑爽聚脲涂層（PSPC）（圖1（b））。多尺度納米限域效應通過空間位阻與界面作用，有效抑制組分遷移與潤滑劑泄漏，顯著提升涂層長期耐久性。

圖2 PSPC的表面滑爽功能屬性和自清潔特性

圖3 PSSC的光熱性能及耐久性

  系統性測試表明，PSPC展現出遠超傳統光熱滑爽涂層的綜合性能優勢：表面滑動角小于10°，即使經過30天紫外照射、20天鹽水浸泡以及200次機械磨損后滑動角仍低于30°，表面功能屬性保持穩定（圖2）；同時出色的光熱性還賦予了涂層優異的光熱防除冰/霜功能，尤其在弱光輻照條件下（0.15sun），涂層在300 s內表面溫度可升至42.2 ℃，光熱轉換效率高達93.27% （圖3）。更關鍵的是，在-15 ℃動態模擬風電工況下，PSPC 涂層連續3600秒（1小時）無結冰現象（圖4）。這一性能源于“光熱轉換 – 熱量隔絕 – 滑爽表面”的協同機制：多級光捕獲結構增強弱光吸收，中空氣凝膠微球的引入（熱導率0.18 W/(m?K)）減少熱損失，滑爽表面抑制冰晶生長和粘附。此外，PSPC 還具備優異的戶外自清潔性能，可輕松去除硅藻土、油污等污染物；且與基材附著力達 0 級，滿足長期戶外使用需求。

圖4 PSPC在模擬寒冷環境下的靜動態防除冰性能

  該工作是黃小彬團隊在功能涂層領域的重要突破之一。此前，團隊已針對傳統光熱光滑液體注入多孔表面（SLIPS）的性能瓶頸開展系列研究，通過優化光捕獲結構提升光吸收效率、調控高分子基體“剛柔比例”平衡機械性能與功能保留，為多功能且高效防除冰涂層的研發奠定基礎。團隊在精確高分子設計與多尺度功能調控領域已形成系統性成果：針對聚合物體系不均一性導致的研究干擾，發展模塊化合成方法制備離散型多尺度功能填料，消除結構不確定性對性能的影響；通過精準調控多尺度微納材料的孔徑分布、比表面積以及聚合物分子鏈的極性分布，實現對潤滑劑的穩定吸附與光熱效率的定量調控。為突破傳統光熱滑爽防除冰涂層的瓶頸提供有利研究方向。

  該研究得到中國航空科學基金的支持。該成果為風力機葉片、高壓輸電線等戶外基礎設施的防除冰需求提供了切實可行的解決方案，也為先進多功能防除冰材料的設計提供了“結構 - 性能 - 應用”一體化的研究思路。

  原文鏈接：https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202529233