西南科大李国强团队：仿生电热薄膜突破除冰难题，实现耐磨、节能、高效三合一！

无人机机翼在低温高湿环境中极易结冰，导致空速管堵塞、气动性能下降，严重威胁飞行安全。传统振动除冰、化学除冰和热除冰等方法存在效率低、污染大、能耗高等缺陷。受荷叶效应启发的超疏水表面虽能延缓结冰，但其微纳结构在低温下易被冰晶锁死，导致结构损伤。现有电热超疏水技术虽能快速融冰，却面临材料易损和高能耗的双重挑战。

西南科技大学李国强教授、刘森云研究员和中南大学银恺教授合作提出一种新型电热微六边形沟槽结构（e-MHGS）夹层薄膜。该设计通过仿生蜂巢六边形框架分散机械应力，沟槽结构抑制形变，即使经历200次砂纸磨损，仍保持稳定超疏水性，结冰延迟时间仅降低15%。电热材料被封装在夹层中，在-20℃环境下以0.1 W cm⁻²的极低功率完全抑制结冰，0.25 W cm⁻²功率下14秒即可除冰，能耗低至3.5 J cm⁻²，较同类研究显著下降。相关论文以“Robust and Energy-Effective Electrothermal Superhydrophobic Film with Micro-Hexagonal Groove Array Structure for Anti/Deicing”为题，发表在

设计原理与性能验证

研究团队从蝴蝶翅膀的超疏水沟槽和蜂巢的耐磨六边形结构中获取灵感（图1a）。通过飞秒激光在聚四氟乙烯（PTFE）基底上雕刻微六边形沟槽阵列（MHGS），再经钠萘溶液处理形成超亲水层，旋涂银纳米线构建电热层，最终复合为e-MHGS薄膜（图1b）。该结构应用于无人机机翼时（图1c），外部六边形框架保护内部沟槽免受磨损（图1d）。扫描电镜显示，经历200次磨损后，沟槽结构仍完好（图1e-f）。

图1 电热超疏水薄膜（e-MHGS）的设计与表征 a) MHGS结构的仿生来源（蜂巢与蝴蝶翅膀）。 b) e-MHGS制备流程：超疏水薄膜与电热薄膜的制备与复合。 c) e-MHGS的机械耐久性与防除冰特性示意图。 d) 砂纸磨损机制：外部六边形结构保护内部沟槽。 e) 磨损前e-MHGS的SEM图像。 f) 200次磨损后e-MHGS的SEM图像：六边形结构的保护使沟槽仅轻微磨损。

结构优化与耐久性

参数优化表明：当六边形框架与沟槽高度差（ΔH）为16 μm、六边形边长为500 μm、间距为30 μm时，接触角（CA）达最大值156.6°，滑动角（SA）降至1.7°（图2a-c）。有限元分析证实，e-MHGS的最大应力（617.33 Pa）低于纯沟槽结构（1007.1 Pa）和纯六边形结构（821.07 Pa）（图2d-f）。砂纸磨损测试中，e-MHGS在200次循环后CA仍保持153.7°，SA≈10°；而对照组e-MGS在120次循环后失去超疏水性，e-MHS的CA降至142.2°（图2g-h）。其耐久性超越同类研究，跻身"强韧"等级（图2i）。

图2 结构参数对表面润湿性、应力分布及机械耐久性的影响 a-c) ΔH、六边形边长、间距对接触角（CA）和滑动角（SA）的影响。 d-f) e-MHGS、e-MGS（纯沟槽）、e-MHS（纯六边形）的模拟应力分布。 g-h) 砂纸磨损循环中三者的CA与SA变化。 i) 超疏水表面机械耐久性对比：基于压力（如4 kPa）和磨损距离（如5 m）分为脆弱（黄）、中等（橙）、强韧（红）三级，e-MHGS属"强韧"级。

动态抗冰机制

磨损后的e-MHGS表面液滴仍能快速反弹（图3a）。模拟显示，液滴反弹力（Fb）始终大于固液界面粘附力（Fa）（图3a(i-ii)）。归一化接触直径（Dc/D0）曲线证实，磨损后e-MHGS的液滴反弹时间稳定在16.5毫秒，而对照组出现液滴钉扎（图3b）。磨损200次后，e-MHGS的水粘附力（WAF）仅增至34.05 μN，远低于e-MHS（77.84 μN）和e-MGS（195 μN）（图3c-e）。-20℃结冰延迟测试中，e-MHGS延迟时间仅减少15%，归因于其磨损后固液接触面积（Ssc）变化微小，热损失（Qv）最低（图3f-g）。

图3 砂纸磨损循环中的液滴反弹行为及结冰延迟测试 a) 液滴冲击e-MHGS表面的高速摄影（磨损前/后），(i)(ii)分示液滴反弹时的粘附力（Fa）与反弹力（Fb）。 b) 磨损前后表面归一化接触直径（Dc/D0）随时间演变。 c-d) 磨损循环中液滴反弹高度（h）与接触时间（t）的变化。 e) 水粘附力（WAF）在磨损循环中的变化。 f) 磨损前后表面液滴结冰延迟过程。 g) 磨损前后e-MHGS表面液滴传热模型。

电热除冰效能

e-MHGS在0.25 W cm⁻²功率下表面温度达132.3℃（图4a），且经100次弯折后温度仅降低6.9%（图4c）。电热模式下，0.1 W cm⁻²即可维持无冰状态（图4d(i)），0.15 W cm⁻²时101秒融冰（图4d(ii)）。低温动力学分析表明：-20℃时液滴因表面水膜钉扎（图4e(ii)）；通电后焦耳热蒸发微结构内水分，恢复Cassie状态实现液滴反弹（图4e(iii),4f(iii)）。30°斜面除冰实验中，0.25 W cm⁻²功率下仅需14秒，能耗3.5 J cm⁻²（图4g），为同类最低（图4h）。无人机模型演示进一步验证其15秒快速除冰能力（图4i）。

图4 电热防除冰性能及应用 a) 不同功率密度下e-MHGS的温度响应曲线。 b) 0.15 W cm⁻²功率下的加热-冷却循环稳定性。 c) 弯折循环中表面温度变化及均匀性。 d) 电热模式下的静态防冰（i）与融冰（ii）效果。 e) 0℃、-20℃及通电条件下的动态防冰行为。 f) 对应工况的动态防冰机理示意图。 g) 30°斜面不同功率下的除冰能耗。 h) 除冰能耗与同类研究对比（蓝：高耗能，橙：中等，红：低耗能）。 i) e-MHGS在无人机模型机翼上的除冰演示（0.25 W cm⁻²，15秒除冰）。

应用前景

该薄膜将仿生微结构与电热效应结合，解决了耐磨性与低能耗难以兼得的难题。其柔性特性适配曲面，为无人机、风电叶片等领域的防除冰提供了高效、耐用、节能的一体化解决方案。团队未来将探索大面积制备工艺及极端环境适应性优化。