第一作者：杜翠婷

通訊作者：王巍，陳守剛

通訊單位：中國海洋大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院

研究速覽

面對嚴(yán)酷的低溫海洋環(huán)境，金屬表面的高效防冰/除冰和長效腐蝕防護(hù)對于海洋機(jī)械裝備而言至關(guān)重要。中國海洋大學(xué)陳守剛教授和王巍教授團(tuán)隊在Composites Part B: Engineering中提出了一種以Bi2S3/Ti3C2Tx為光熱填料，聚氨酯（PU）為基體的多功能涂層（BSPU）。Bi2S3/Ti3C2Tx具有76.13%的光熱轉(zhuǎn)換效率和優(yōu)異的光熱循環(huán)穩(wěn)定性。PU由聚二甲基硅氧烷（PDMS）和Diels-Alder反應(yīng)（DA反應(yīng)）等單體組成，賦予涂層具有光滑、疏水和自修復(fù)特性的表面，促使該涂層在低溫環(huán)境中可同時實現(xiàn)被動防冰和主動除冰功能。Bi2S3/Ti3C2Tx經(jīng)過光熱轉(zhuǎn)換以提高涂層溫度，導(dǎo)致冰層在-30°C的300秒內(nèi)脫落。BSPU將水滴在光照下的冷凍時間延長至1500秒以上，是裸金屬基板上冷凍時間的6.3倍。由于二維填料提供的“迷宮效應(yīng)”，涂層的耐腐蝕性顯著增強(qiáng)。在低溫模擬海水的環(huán)境中浸泡90天后，涂層仍保持良好的防腐防護(hù)能力。依靠光熱效應(yīng)觸發(fā)涂層中Diels-Alder（DA）可逆反應(yīng)，涂層夠在短時間內(nèi)實現(xiàn)損傷自愈。該涂層滿足了疏水性和光熱主導(dǎo)的被動防冰/主動除冰和耐腐蝕性的要求，在低溫海洋環(huán)境中具有很高的應(yīng)用前景。

亮點分析

亮點一：通過光熱效率表征測試和COMSOL有限元模擬相結(jié)合的方法，深入解析了Bi2S3/Ti3C2Tx異質(zhì)結(jié)的光熱轉(zhuǎn)換機(jī)理。

亮點二：所設(shè)計的多功能涂層克服常見防冰涂層耐蝕性的不足，兼具優(yōu)異的被動防冰/主動除冰性能、防腐性能，快速的光熱自修復(fù)性能增強(qiáng)了涂層的防護(hù)能力。

圖文導(dǎo)讀

圖1 SEM圖，（a，b）Ti3C2Tx，（c-e）Bi2S3/Ti3C2Tx，（f-h）單層Bi2S3/Ti3C2Tx及其EDS元素組成。

圖2 （a）XRD光譜，（b）Zeta電位，（c-f）XPS全光譜和精細(xì)光譜，（g-h）UV-vis漫反射光譜和Tauc圖，（i）光熱循環(huán)（在1.5 W/cm?的808 nm激光照射下）。

圖3（a）防冰實驗裝置和熱能吸收耗散示意圖，（b1）水滴延遲凍結(jié)和（b2）冰滴快速融化（-10°C恒溫平臺，1個太陽，0.2 mL去離子水），（C）光熱除冰（涂層表面冰厚度為3 mm，-30 ℃，1 sun光照強(qiáng)度）。紅色虛線表示冰-水邊界。

圖4 在3.5 wt%的NaCl溶液中的電化學(xué)阻抗譜（a：20 ℃下的Pure-PU，b：20 ℃下的BSPU-2涂層，c：0 ℃下的BSPU-2涂層。（a1-c1）奈奎斯特圖，（a2-c2）阻抗模量圖，（a3-c3）相位角圖。

圖5 BSPU-2涂層的劃痕修復(fù)（1.5 W/cm-2 808nm激光照射）。（a，b）通過激光共聚焦測試的修復(fù)過程，其中（b2）是交叉劃痕中心的深度。SKP映射，（d）顯示了表面電勢在X方向上的數(shù)值變化過程。

結(jié)論

設(shè)計Bi2S3/Ti3C2Tx為填料、聚氨酯（PU）為基體開發(fā)了一種具有光熱防凍、耐腐蝕和自修復(fù)性能的涂層。Bi2S3和Ti3C2Tx之間形成的Mott-Schottky異質(zhì)結(jié)增強(qiáng)了材料的穩(wěn)定性和光熱性能。在光照下，Bi2S3/Ti3C2Tx作為局部熱源，為涂層提供熱能，有效延緩表面結(jié)冰，并在-30 ℃的低溫環(huán)境中在300秒內(nèi)實現(xiàn)快速脫冰。此外，Bi2S3/Ti3C2Tx在涂層中表現(xiàn)出的“迷宮”效應(yīng)抑制了腐蝕介質(zhì)的滲透，從而提高了其耐腐蝕性。此外，具有DA反應(yīng)基團(tuán)的PU，能夠在808nm紅外激光照射下實現(xiàn)本征自修復(fù)。因此，該涂層不僅提供了卓越的光熱除冰性能，以滿足復(fù)雜和動態(tài)應(yīng)用中的防冰需求，而且還表現(xiàn)出優(yōu)異的低溫耐腐蝕性，可有效保護(hù)金屬。固有的自我修復(fù)能力進(jìn)一步延長了涂層的使用壽命。因此，這種創(chuàng)新涂層在極端寒冷的海洋環(huán)境中具有很好的應(yīng)用潛力。

原文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.compositesb.2024.111255

參考文獻(xiàn)：Cuiting Du, Wei Wang, Zihao Guo, Peng Wang, Shougang Chen, A robust anti-icing/de-icing and self-healing coating based on efficient photothermal Bi2S3/Ti3C2Tx nanofillers, Composites Part B: Engineering 274 (2024) 111255.