功能单元的多尺度结构调控与界面作用协同，是决定功能高分子涂层性能上限的核心因素之一。然而在传统光热滑爽防除冰涂层领域，单一尺度功能填料设计难以兼顾弱光光热转换效率、动态工况下润滑剂稳定性与机械鲁棒性，导致涂层在户外实际应用中常面临“光热低效—润滑剂流失—结构易损”的三重性能瓶颈。如何通过精准设计多尺度单元的空间构型，结合高分子基体的“刚柔平衡”分子设计，打破各项功能之间固有的性能权衡制约，一直是光热防除冰涂层领域的关键挑战之一。

图1 （a）FSi@CAA@HSi气凝胶微球的自组装结构。（b）光热滑爽聚脲涂层的制备过程。

  近期，上海交通大学航空航天学院黄小彬研究员团队联合中国航空工业集团公司济南特种结构研究所，从生物体“刚性骨骼 - 柔性肌肉”协同机制中汲取灵感，提出创新仿生“阴阳耦合”设计原理——“阳”代表刚性结构单元，保障涂层整体稳定性与功能完整性；“阴”代表柔性功能组分，调控光热吸收、表面滑爽等动态功能。

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

  基于该原理，团队构建了具有微/纳/纳多尺度纳米限域效应的氟硅基@碳气凝胶@空心硅基（FSi@CAA@HSi）气凝胶微球，作为涂层核心功能单元 （图1（a））。其中，空心硅基（“阳”— 刚性）不仅优化光热路径，还能有效抑制碳气凝胶团聚，为微球提供稳定结构骨架；碳气凝胶与氟硅基纳米域（“阴”— 柔性）则构建多级光捕获结构，增强弱光吸收效率并固定光热组分。将该微球与润滑剂及聚脲基体复合，形成光热滑爽聚脲涂层（PSPC）（图1（b））。多尺度纳米限域效应通过空间位阻与界面作用，有效抑制组分迁移与润滑剂泄漏，显著提升涂层长期耐久性。

图2 PSPC的表面滑爽功能属性和自清洁特性

图3 PSSC的光热性能及耐久性

  系统性测试表明，PSPC展现出远超传统光热滑爽涂层的综合性能优势：表面滑动角小于10°，即使经过30天紫外照射、20天盐水浸泡以及200次机械磨损后滑动角仍低于30°，表面功能属性保持稳定（图2）；同时出色的光热性还赋予了涂层优异的光热防除冰/霜功能，尤其在弱光辐照条件下（0.15sun），涂层在300 s内表面温度可升至42.2 ℃，光热转换效率高达93.27% （图3）。更关键的是，在-15 ℃动态模拟风电工况下，PSPC 涂层连续3600秒（1小时）无结冰现象（图4）。这一性能源于“光热转换 – 热量隔绝 – 滑爽表面”的协同机制：多级光捕获结构增强弱光吸收，中空气凝胶微球的引入（热导率0.18 W/(m?K)）减少热损失，滑爽表面抑制冰晶生长和粘附。此外，PSPC 还具备优异的户外自清洁性能，可轻松去除硅藻土、油污等污染物；且与基材附着力达 0 级，满足长期户外使用需求。

图4 PSPC在模拟寒冷环境下的静动态防除冰性能

  该工作是黄小彬团队在功能涂层领域的重要突破之一。此前，团队已针对传统光热光滑液体注入多孔表面（SLIPS）的性能瓶颈开展系列研究，通过优化光捕获结构提升光吸收效率、调控高分子基体“刚柔比例”平衡机械性能与功能保留，为多功能且高效防除冰涂层的研发奠定基础。团队在精确高分子设计与多尺度功能调控领域已形成系统性成果：针对聚合物体系不均一性导致的研究干扰，发展模块化合成方法制备离散型多尺度功能填料，消除结构不确定性对性能的影响；通过精准调控多尺度微纳材料的孔径分布、比表面积以及聚合物分子链的极性分布，实现对润滑剂的稳定吸附与光热效率的定量调控。为突破传统光热滑爽防除冰涂层的瓶颈提供有利研究方向。

  该研究得到中国航空科学基金的支持。该成果为风力机叶片、高压输电线等户外基础设施的防除冰需求提供了切实可行的解决方案，也为先进多功能防除冰材料的设计提供了“结构 - 性能 - 应用”一体化的研究思路。

  原文链接：https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202529233