结冰是一种复杂多变的相变过程，自古以来就对人类生活生产产生了巨大的影响。结冰现象广泛存在于航天航空、风力发电、通信设备和海洋工程等领域[1-5]。设备表面结冰不仅会降低设备的使用寿命及工作效率，严重时还会危害到人们的生命财产安全。例如，飞机在寒冷且潮湿的空气中飞行时，其机翼表面会出现不同程度的结冰。机翼结冰将会影响气动外形、增加阻力、消耗更多燃料，操纵性也会受到严重影响，严重威胁飞行安全[6-10]。2018年，俄罗斯安-148客机因空速管结冰导致了飞机测速不准确，飞行员无法获得准确的航速信息，致使飞机失速坠毁[11]。在通信设备领域，过冷水滴或冻雨撞击电缆形成坚实的冰层，导致线路损坏以及信信号中断。通信设备的结冰严重危害了人们的生产和生活。2008年，我国南方持续惨遭冰灾，导致供电线路和通信线路损坏中断，造成的直接经济损失达1516.5亿元[11-12]。同年，美国东南部也持续出现冰灾现象，导致美国经济损失达10亿美元[11，13]。为了克服结冰对生产生活带来的影响，研究者们相继提出了各种防/除冰技术。传统的防/除冰技术主要包括气热防冰、涂层防冰、液体防冰、电热除冰以及机械除冰等。这些技术虽然具有良好的防/除冰效果，但存在能耗高、效率低、污染环境以及防冰时间有限等问题。因此，寻求功耗小且环保高效的防/除冰方法成为疏冰领域的重要研究方向。自以荷叶[14-15]现象（见图1）为代表的超疏水表面被发现以来，防/除冰表面作为一种被动除冰方式引起了业内广泛的关注，并为从源头实现防/除冰提供了新的思路，一度成为近年来的研究热点。近年来，大部分关于超疏水表面防/除冰性能的报道主要是从三个方面展开：（1）减少水滴与表面的接触时间；（2）延缓水滴结冰时间；（3）降低冰层与表面的黏附力，并显示出一定的应用前景。然而也有一些学者提出了超疏水表面的防/除冰性能存在的缺点：超疏水表面在低温高湿环境中将会失去超疏水性、使用周期短、力学性能差等。对超疏水表面的防除冰性能目前没有统一的定论，其应用到实际过程中还面临着诸多挑战。10.12050/are20220303.F001图1具有自清洁特性的超疏水荷叶（莲叶）在不同的放大倍数下的图像Fig.1Images of a superhydrophobic lotus leaves (nelumbo nucifera) with self-cleaning properties at different magnifications本文从时间空间尺度上出发，并结合微观物理过程分析了超疏水表面防/除冰的三道防线。从超疏水表面的防水、防结冰及疏冰的角度阐述了防/除冰表面的研究进展，对现有的文献报道的防/除冰性能进行了总结。讨论并提出一种新型的防/除冰三道防线策略。同时，对有关超疏水表面设计的理论研究的文献也进行了总结和评述；最后，对超疏水表面的设计以及防/除冰的工程应用进行展望。本文旨在总结现有文献，并在文献中找出各自共同的目的和规律，集成其优点，为防/除冰表面的应用研究提出一些思路和帮助。为合理有效地设计表面提供重要的信息和线索，进而加快超疏水表面在防/除冰领域中的实际应用。1　超疏水表面设计机理研究进展1.1　超疏水概念及建模背景超疏水表面通常是指固液的静态接触角大于150°、接触角滞后小于10°的低表面能表面。超疏水表面的制备方法有沉积法、自组装法、喷涂法、模板法、激光刻蚀法等。有研究证明，可制备出静态接触角接近180°的超疏水表面[16]。尽管在试验制备方面，超疏水表面的应用已经得到了进一步的发展，但是其表面微纳米结构和化学组成成分是如何影响其疏水机制的机理还需要进一步研究。基于杨氏模型、Wenzel模型和Cassie模型的理论，超疏水表面的表观接触角已经得到比较充分的研究。但是关于接触角滞后问题还需要进一步深入研究。现有关于接触角滞后的研究成果主要是二维热力学分析模型和三维热力学分析模型。相对于三维粗糙结构，三维热力学分析模型的计算精度和应用范围较二维热力学分析模型更加精确和广泛。另外，由于粗糙结构的存在，液滴在超疏水表面呈现出多种亚稳态浸润状态。相邻的两个亚稳态之间的转变需要突破自由能能垒。基于三相接触线的实际形貌特性，建立自由能和表观接触角、接触角滞后和自由能能垒之间的关系模型，可以分析出微结构各项参数于自由能能垒及接触角滞后的关系；从而可以为试件表面微结构的设计提供理论指导。1.2　一级微结构表面超疏水性的三维热力学分析为了研究一级微结构表面的超疏水行为，He等[17] 提出了一种三维模型的热力学分析方法。本文以一级方形微结构为例，根据重复单元（见图2(a))和实际三相接触线（见图2(b))的特点，将自由能能垒分为前进自由能能垒和后退自由能能垒两部分。该方法得到的理论计算结果和现有文献中试验研究的结果相一致。与相关的二维热力学分析模型相比，归一化自由能及归一化自由能能垒的计算结果分别提升了10-3和10-6。同时给出了方形微柱高度的临界公式，如式（1）所示[17]hc=- b2+2ab4a⋅1+cos θYcos θY （1）式中：a、b和θY分别为微柱宽度、槽宽和本征接触角。值得注意的是，对于给定的纹理结构，微柱高度在超疏水性中起着重要的作用。非复合状态的平衡静态接触角、自由能和自由能能垒均随柱高的增加而增加；而复合状态下的超疏水行为与柱高度无关。临界高度取决于微柱的横截面积和重复单元的面积以及横截面形状的周长，并提供了一个复合和非复合状态之间的过渡标准。临界柱高是描述复合状态与非复合状态之间相互转化的重要准则。还有一些研究者利用此三维热力学分析法推断出了圆柱形[18]、圆台形[19]及棱台形[20]的一级微柱的临界高度计算公式。因此，该项工作中的热力学方法可以扩展到任何具有复杂截面形状的柱状纹理表面。同样地，可以给出临界微柱高度的计算公式，如式（2）所示[17]hc=- AC⋅1+cos θYcos θY （2）式中：A为一个单元总面积减去微柱横截面面积；C为微柱横截面的周长。这些结果可用于制造超疏水表面，为超疏水表面的设计提供理论基础。这种方法也有望扩展到分层结构的超疏水表面。10.12050/are20220303.F002图2微结构和三相接触线运动示意图Fig.2Schematic diagram of microstructure and three-phasecontact line movement1.3　二级微结构表面超疏水性的三维热力学分析在自然界中，荷叶表面的自清洁效应主要是由于其表面微米和纳米的粗糙结构以及结构表面存在的蜡状物质[21]。在荷叶效应得到广泛研究之后，自然界中越来越多具有特殊浸润行为的动植物被研究，包括芭蕉叶、水稻叶、玫瑰花瓣、蚊子复眼等，发现了多级分层结构对浸润行为有着重要的影响。很多学者也从理论方面解释多级分层结构对超疏水性的影响机制。如Herminghaus[22]提出的理论模型考虑了表面上的多级粗糙度；Patankar[23]利用带有多级结构的模型分析了超疏水表面的浸润行为。由于多级分层结构的存在，液滴在其表面上浸润状态将会存在不同于Cassie状态和Wenzel状态的中间状态。Liang等[24]以方形微柱为例，建立了二级微纳米结构的三维热力学模型，三维微纳米结构模型的重复单元如图3所示。通过查找大量的相应文献，总结出二级分层结构表面主要存在三种浸润状态。这三种浸润状态的示意图如图4(a)~4(c)所示。10.12050/are20220303.F003图3微纳米多级结构示意图Fig.3Schematic diagram of micro/nano hierarchical structure10.12050/are20220303.F004图4多级结构表面可能的浸润状态Fig.4Possible wetting states of a hierarchical structured surface由于此模型中存在微米和纳米两种微柱，如果将自由能能垒与纳米微柱建立关联会导致Cassie状态下液滴存在两种不同量级的前进自由能能垒，从而造成计算过程的复杂性。因此，研究者将自由能能垒与微米微柱建立关联。另外，对于Wenzel状态和Cassie impregnating状态，三相接触线在微米微柱侧面上的纳米微柱上的运动过程也是相当复杂。所以，研究者对实际的三相接触线进行了细微的调整，以便简化计算，如图4(d)中红色线条所示。然而这种调整造成的误差非常小，对实际的计算结果不会造成显著的影响，所以该误差可以忽略。通过理论模型的建立和推导，给出了表征液滴从Cassie状态到Wenzel状态过渡的参数，即临界纳米柱高hCW为hCW=a12f2cos θY+1- a1+b12ηcos θY•a2+b224a2 （3）式中：f2为纳米柱的固-液界面面积分数；η=a1+b12+4a1h1；θY为本征接触角。同样，Wenzel状态到Cassie impregnating状态过渡的临界柱高hCIW的计算公式为hCIW=f2cos θY+f2-1cos θY-1•a2+b224a2 （4）从以上理论模型出发并讨论表明，微纳米分层结构表面上液滴的最终稳定状态很大程度上取决于临界纳米柱高这个参数。对于三种主要的浸润状态，主要存在两种不同的临界纳米柱高，取其中较小的一个作为最终稳定状态的主要参数，即当纳米柱高小于hCW（或hCW）时，Wenzel状态要比Cassie状态（或Cassie impregnating状态）稳定；反之，将更趋向于Cassie状态（或Cassie impregnating状态）。综上，Liang课题组[24]提出了一个新的研究方法来分析一个分层结构表面的超疏水行为。用该方法可以预测静态平衡接触角、后退和前进接触角以及接触角滞后，并指出了纳米柱高度对超疏水行为的影响。Wenzel态液滴的自由能和前进自由能能垒随纳米柱高度的增加而增加，而Cassie或Cassie impregnating态液滴的自由能和前进自由能能垒不受纳米柱高度的影响。更重要的是，纳米柱的临界高度被认为是表征两种润湿状态之间过渡的重要参数，从而能够准确预测系统最终的稳定润湿状态。此外，该方法可以指导制备各种性能的超疏水表面，特别是那些具有超疏水性能和强附着力（花瓣效应）的表面，为未来开发多层次微纳米结构提供了理论基础。2　超疏水表面三道防/除冰防线的试验研究2.1　第一道防线：运动水滴直接滚落超疏水表面对运动水滴的防护策略主要是利用超疏水表面的低黏附特性，即不沾水的性质，使水滴在超疏水表面冻结之前滚落表面，这就是超疏水表面第一道防/疏冰战线的主要思想。部分研究者利用上一节的理论模型作为超疏水表面微结构设计的理论指导。制备出水滴处于Cassie状态的超疏水表面；并对自由落体的过冷水滴进行了撞击超疏水表面的相关研究。如Sun等[25-26]通过理论指导设计计算出临界微柱高度，在通过激光刻蚀机对疏水表面进行加工，使疏水表面上具有微米结构且微柱高度大于临界柱高，从而使疏水表面变成了超疏水表面。研究了水滴在结霜条件下冲击超疏水表面的行为，水滴在同一高度进行释放，其冲击速度约为0.44m/s，且连续的水滴均能从超疏水表面上反弹并滚落表面。Zheng等[27]通过丙酮处理碳纳米管薄膜制备出了所需的粗糙度和低表面能表面，并证实了其在室温和结冰条件下都能呈现防水性。另外，还表明了超疏水表面可以通过设计来减少水滴与表面的接触时间和撞击水滴的接触面积。Wang等[28]改变超疏水表面纹理结构的研究表明，在高固体分数的表面上使用纳米尺度的纹理降低了水滴接触角滞后，导致反弹水滴的接触时间减少（见图5），并且给出了水滴接触时间tc的理论计算模型tc=aρR3/γ （5）式中：ρ和γ分别为水的密度和表面张力；R为水滴半径；a为试验确定的经验前因子。10.12050/are20220303.F005图5弹跳水滴在纹理表面的接触时间比较Fig.5Comparison of contact time of bouncing water droplets on textured surfaces此外，还可以通过设计超疏水表面微柱的尺寸大小、形貌以及图案，使水滴在超疏水表面上产生一种反直觉的弹跳状态，如图6所示[29]。这种状态使水滴在撞击下扩散，然后在不回缩的情况下使水滴以扁平状弹跳离开表面。这就使得接触时间比传统的完全反弹减少了3/4。出现扁平状弹跳的原因是渗透液体中储存的毛细能量被整流而形成向上运动，以提升水滴的结果。此外，在超疏水表面上扩散的横向下降和垂直运动的时间尺度必须是可比较的。特别是，通过设计具有表现为谐波弹簧的锥形微/纳米纹理的表面，时间尺度变得与冲击速度无关，从而允许在大范围的冲击速度上发生扁平弹跳和快速掉落分离[29]。另外，还有部分研究者实现了操控超疏水表面上水滴运动的行为，这种可操控性是利用外力场梯度处理的[30-34]。此概念的提出为水滴滚落表面提供了另一种新型的方法。例如，在超疏水表面电荷密度（SCD）梯度的作用下，即使表面垂直放置（反重力方向），超疏水表面也能在超长的传输距离内以高速引导液滴向更大的SCD（见图7(a),图7(b)[34]运动。这样的液体运输现象是由于液滴动力学可以通过冲击液滴在界面相互作用过程中由于接触电化而预先产生的SCD的优先梯度进行调节（见图7(c)）[34]。此外，独特的SCD梯度液滴运输可以被很好地编程，以实现各种功能。例如，带有4个液滴轮的固体货物可以在带电的超疏水表面沿着预定的路径自发移动（见图7(d)）[34]。10.12050/are20220303.F006图6表面表征和下落冲击动力学Fig. 6Surface characterization and drop impact dynamics(a) 铜表面图案与一个正方形格子锥形柱的扫描电子显微图（微柱被平均直径3.0μm的纳米花覆盖，接触角大于165°，接触角滞后小于2°）；(b) 在We=7.1时由高速摄像机捕捉到水滴冲击到圆锥表面的快照（液滴在表面收缩，最终在接触点(16.5ms)从表面分离）；(c)在We=14.1时水滴下落在圆锥表面上的快照（水滴在3.4ms时以薄饼状弹跳离开表面，这是4倍短于纳米超疏水表面）；(d)在We=31.2，倾斜角度为30°时，液滴撞击的圆锥表面；(e)具有纳米花结构的超疏水表面（锥形表面的水滴撞击展品饼状弹跳，而纳米表面下遵循传统的跳跃的途径）10.12050/are20220303.F007图7有电荷梯度的超双疏表面上的定向液体输运Fig.7Directional liquid transport on a superamphiphobic surface with a charge gradient(a) 表面电荷密度(SCD)梯度为倾斜角度为3°的超双疏表面上水滴的实时轨迹；(b)在具有SCD梯度的垂直放置的超双疏表面上，不同大小的液滴向上移动的实时轨迹；(c)具有SCD梯度的超双疏表面上的液滴自推进；(d)由疏水玻璃和4个液滴轮组成的货物装置在具有SCD梯度路径的超双疏表面上运动的实时轨迹[34-35]很多研究者也已经证实了大部分超疏水表面在寒冷潮湿环境下将会失效，这也就说明了水滴在恶劣的环境下从超疏水表面滚落将会变得更加困难[11]。Lambley等[36]研究了极端环境条件下水滴冲击超疏水表面的刺穿失效机制，揭示了一种迄今为止未知的基于冷凝的水滴刺穿机制。该机制是由于撞击前的空气层压缩和过饱和导致的。在某一极端条件下，水滴虽然会反弹，但是仍然有很大一部分会留在表面上，这就说明了极端环境对一个看似坚固的超疏水表面的疏水性产生了重大的影响。同时，这个残留的部分说明了水滴撞击表面时刺穿或者局部过渡到了Wenzel状态。在回缩阶段，水滴的表面张力不足于克服固液界面的黏附力。因此，展现出了第二道防/除冰战线建立的必要性。2.2　第二道防线：延迟水滴结冰及表面结霜超疏水表面在低温高湿的极端环境条件下，超疏水性很有可能面临失效，也就是本文所提到的第一道防线可能会失效。一旦水滴黏附在超疏水表面，就会触发自身的防冰第二道防线：延缓水滴的结冰时间且减缓表面的霜冻现象。超疏水表面延缓水滴结冰的研究一直都是防/除冰领域中的研究热点；吸引了相关领域内广大研究者们的兴趣[1，37-42]。Alizadeh等[13，43]利用红外热相机和高速摄像机记录了4μL液滴撞击亲水、疏水和超疏水表面时的冻结过程。结果表明，超疏水表面相对于前两种表面，冻结延迟时间达到70~80s。这是由于高接触角导致固液界面面积减少，成核活化能增加，导致宏观成核速率急剧下降。而且超疏水表面微纳米结构中截留的空气层不仅起到隔热功能，还减少了成核位点（见图8）[43]。Sun等[25]同样通过试验对比铝合金表面（亲水）、PDMS平整表面（疏水）和具有微结构的PDMS表面（超疏水）上单个水滴的结冰时间也得到了相应的结果。而且相比于亲水表面，超疏水表面上水滴的延迟时间被推迟了353.3s。此研究结果还说明选用低表面能和低传导率的材料使水滴结冰时间得到更进一步延长。10.12050/are20220303.F008图84μL水滴在亲水（Si-PEG）表面、疏水（Si-F）表面及超疏水（Si-STex-F）表面冻结时温度变化过程Fig.8Transient temperatures of 4μL DI water droplet freezingon Si-PEG (hydrophilic), Si-F (hydrophobic) and Si-STex-F (superhydrophobic) substrates此外，Sun等[26]利用激光刻蚀法在制备的低表面能材料刻蚀了具有不同高度的微柱，并研究了微柱高度对水滴结冰的影响。如图9所示[26]，具有微柱结构（微柱高度20μm）的表面与平整表面上水滴结冰的时间相差不大。这可能是由于微柱在低于30μm时，水滴在超疏水表面时处于Wenzel状态，水滴与基底紧密接触，并未对成核位点产生影响。但是微柱高度在40μm（见图9(c)）的情况下相对于图9(a)和图9(b)水滴起始结冰时间延迟24s和22.6s，这是因为当微柱高度大于30μm时水滴在超疏水表面上处于Cassie状态。说明超疏水表面微结构的高度对延缓水滴结冰起到一定的作用。更加说明第1节中理论模型对超疏水表面设计的指导意义。10.12050/are20220303.F009图95μL液滴在不同表面上冻结Fig.95μL droplets frozen on different surfacesZhang团队[44]设计和制备了两亲性有机凝胶（AmOG），并用两亲性润滑剂浸润，取代了传统的亲水或疏水润滑剂。该AmOG表面表现出高的稳定性和优良的防结冰性能。AmOG表面水的凝固点延迟为1000s，比未处理的亲水玻璃表面延长了40倍。此项研究从另一角度解释了延迟结冰的机理，即含有氢键的材料表面，由于氢键具有与水的作用，即使是亲水性，也可以很大程度上达到延缓结冰的效果。这项研究给出了大多数材料具有疏水性的内在机理。也有学者对超疏水表面延缓水滴凝结成核的机理进行了相关的研究。Li等[9]采用简化的比换热模型分析结冰过程中的不同机理。如图10(a)所示，由于下方存在微结构及其截留的气垫，水滴悬浮在具有微柱结构的超疏水表面上。这种情况下，水滴的热量损失主要有三项，即液固界面间的热传导、液滴和气垫之间的热辐射和液滴与密闭空间的对流换热。因此，根据简单的能量平衡、傅里叶定律、牛顿冷却定律和斯特凡-玻尔兹曼定律，便可推导出其传热过程[9]为ΔQc=α2πR21+sin βTd-Ts+Cn⋅2πR21-sin βTd1004-  Tsub1004+λ⋅SSAc⋅Td-Tsubx （6）式中：α为对流换热系数；Cn为辐射换热系数； λ为材料的导热系数；R是球面的半径；Ts为实时密闭空间温度；Td为液滴的初始温度；Tsub为实时的基底温度。β为液滴的接触角(CA)；x为基底的厚度；SSAc为超疏水表面实际的固液接触面积。因此，超疏水表面上水滴在结冰过程中的热损失率ηc=ΔQc/tc便可计算得出。其中，tc为超疏水表面上水滴完全冻结所需要的时间。10.12050/are20220303.F010图10不同表面水滴传热模型Fig.10Heat transfer model of water droplets on different surfaces然而，在平整光滑的表面上没有气垫，所以就不存在液滴与微柱间气体的热辐射。但是其固液接触面积比超疏水表面大的多，如图10(b)所示。此时式(6)应该重新被定义为[9]ΔQY=α2πR21-sin βTd-Ts+λ⋅SSAY•Td-Tsubx （7）平整表面上水滴结冰过程中热损失率更正为ηY=ΔQY/tY。Li等通过自己建立的模型计算出，在冻结过程中，超疏水表面水滴的热损失率比平整表面上的水滴热损失率小一个数量级，并且液固界面的热传导是水滴损失热量的主要形式。通过Li等建立的理论模型中不难看出，表面湿润性是影响表面延缓结冰的主要因素。但是材料的本身应该也是影响水滴延缓结冰的另一个重要的因素。针对单个水滴，超疏水表面具有良好的延缓冻结性能。但是在面对大量冷凝水时是否也具有延缓结霜的能力，也是值得关注和研究的。超疏水表面在低温潮湿的环境中抑制霜/冰的形成也具有重要意义。He等[37]制备了不同的ZnO纳米棒阵列表面，并研究了这些表面在0℃以下对冷凝水微滴的润湿性。此外，表面温度在冰点以下时，研究了超疏水性对凝结微滴形成冰/霜的影响。证实了当表面温度低于0℃时，所有ZnO纳米棒阵列表面上的水滴几乎呈球形；也就是说在0℃以下，ZnO纳米棒阵列表面对凝聚微滴也具有超疏水性。与疏水玻璃表面相比，凝聚微滴在超疏水性ZnO纳米棒阵列表面保持液态的时间要长得多。这也从侧面说明了超疏水表面在冻结环境中具有延缓表面结霜的能力。Aizenberg等[39，45]制备了6种不同性能的铝合金表面，同样得到了类似的结果。其结果可以通过图11[45]明显地看出。此外，图11还表明了在相同时间窗口内超疏水表面的防冰效率明显高于其他5种不同性能的铝合金表面。10.12050/are20220303.F011图11在高湿度条件下随时间变化的6种铝合金表面的霜晶生成图Fig.11Time-lapse images of ice formation experiments at-2℃ in high-humidity conditions (60% RH) on six aluminum surfaces tested2.3　第三道防线：电热除冰通过学者们的试验表征，发现超疏水表面不仅对单个水滴具有延缓结冰的性能，对冷凝水的结霜也具有延缓的能力。然而，即使超疏水表面具有延缓霜晶形成的性能，但是仍然在其表面上形成了冰霜，表面全部覆冰也只是时间的问题，并没有从根本上解决冰霜的覆盖。也就是说以上讨论的第二道防线的失效只是时间问题。所以建立第三道防线是必要的。传统的电加热器件多是夹层设计，这种夹层的设计热传递的损失过于严重。自从石墨烯被发现以来，越来越多的超柔性纳米复合材料加热器件被研制出来[7，46-52]。Ma等[53]通过简单高效的两步真空辅助过滤和热压方法制备了具有超柔性、耐热和机械强度高的ANF/AgNW纳米复合纸。由于其中嵌入了高导电性的AgNW网络，在反复弯曲和清洗的情况下（见图12(a)~图12(e)[53]），显著降低了片材电阻，提高了电加热元件的稳定性。在AgNW面积分数为0.5g/m2的电加热器，在2.5V时，其加热温度稳定在200℃以上。在较高的AgNW面积分数和供电电压下，将会产生更多的焦耳热，加热温度升高，响应时间缩短。此外，由于高性能ANF基板、部分嵌入的AgNWs和广泛的氢键作用，超柔性电加热器表现出优异的耐热性和力学性能。AgNWs周围密集包裹的ANFs的保护作用，使电加热器在长期、重复的加热和冷却循环中具有足够的加热可靠性、稳定性和可重复性。它们在可见光区和近红外区具有良好的光学透过率，在紫外区具有紫外屏蔽作用。ANF/AgNW纳米复合纸基电加热器在可穿戴式热疗、个人热管理和热水方面的应用已得到验证（见图12(f)~图12(i)）[53]。10.12050/are20220303.F012图12电热性能测试Fig.12Electrothermal performance test(a) 红外摄像机拍摄的电加热器经过反复弯曲和拉伸的图像；(b) 红外摄像机拍摄的电加热器呈现字母C的不规则形状的图像；(c) 红外摄像机拍摄的蒸汽；(d) 红外摄像机拍摄的溶剂；(e) 水处理后的图像；(f) 提供电压为0.5V、1V和1.5V的可穿戴式热疗电暖器的数码相机和红外相机图像；(g) 个人热管理加热器的数码相机和红外相机图像；(h) 贴在人手上的加热器的红外摄影机图像；(i) 电加热器在1.5V的电压下加热水的数字图像在电加热器件的迅速发展过程中，学者们开始考虑其在防/除冰方面的应用[54-56]。如Elsharkawy等[57]提出了一项导电超疏水性和光滑的润滑剂浸渍涂料研究，即使表面不能在长时间内被动地对抗霜的形成，但它们的导电性能有利于实施主动除霜技术，从而保持表面无霜，如图13所示[57]。10.12050/are20220303.F013图13不同功率密度下的除冰时间Fig.13Deicing time at different power densities此外，Liang课题组[25, 58-59]通过在导电纳米复合材料低表面能的表面引入微纳米结构，使其具有超疏水性。即使表面覆盖了8mm厚的冰霜层，在给定应用电压下能够在150s内使其表面的冰霜完全融化，如图14所示[25]。该仿生智能纳米复合材料实现了被动防冰和主动除冰功能的相互协调，从而使表面可以保持一直处于无冰/霜的状态。通过反复多次的冻结/加热循环试验，表面的微纳米结构仍然保持完好无损。相对于涂层更具有耐久性能。10.12050/are20220303.F014图14电热除冰测试Fig.14Electrothermal deicing test而且Liang课题组[58]还证实了具有超疏水性能的导电纳米复合材料的除冰效率相比较于传统的PI-Kanthal薄膜加热器要高。如图15所示，其中，图15(a)电加热薄膜试件的除冰试验装置，对两种薄膜通过施加3/5/8V逐步增加的电压，激活加热功能，直到表面变得无冰。图15(b)绘制了低温平台在水平和倾斜30°角时两种薄膜除冰时间的对比。从图15(b)中可以明显看出，无论是在水平还是倾斜的状态下，纳米复合材料薄膜在不同施加电压的作用下除冰时间都相对较短。另外，平台倾斜30°的条件下，具有超疏水性能的纳米复合材料表面冰层很容易滑离表面。也就是说具有超疏水性能的纳米复合材料表面在整个除冰过程中不仅节约了能量消耗，还提高了除冰效率。10.12050/are20220303.F015图15不同电压下的除冰时间Fig.15Deicing time at different voltages此外，Wu等[60]基于简单的双模板方法成功制备了层次结构的聚二甲基硅氧烷（PDMS）/还原氧化石墨烯（rGO）薄膜，即太阳能防冰/除冰（SADI）材料。该薄膜表面的微/纳结构显著抑制了表面的光反射，使SADI表面具有宽带吸收和优异的光热性能。太阳能的有效转化为热能，使得SADI表面在白天具有很强的抑制冰成核、阻止冰传播和减少冰附着的能力（功能属于第二道防线）。在太阳光照（qi = 1.0kW/m2）下，SADI膜作为防冰/除冰材料，即使在-40℃和-60℃的超低温度下，也表现出良好的防冰/除冰性能，即长冻结延迟时间(tD 2h)和超低除冰强度（属于第三道防线）。该项研究针对于白天有阳光的情况下，在夜晚和阴雨天气不再适用，可以考虑与其他功能材料结合使其具有更好的防/除冰性能。因此，Sheng等[61]演示了一种太阳能热转换和储存材料的SPCM，并研究了SPCM的防结冰性能的可持续性。在光的照射下，SPCM能有效地将光收集并转化为热。在没有光的情况下（夜晚），储存的潜热（通过相变）被成功释放，使SPCM的表面温度保持在水的凝固点以上。因此，SPCM表面能够全天执行防冰功能。此外，SPCM在不同的（模拟）真实条件下显示出较高的除冰效率。这项研究为可持续利用太阳能防冰提供了一条有效途径。然而，SPCM弥补了SADI在夜间的不足，但是储存的潜热在长时间的阴雨天气中便显示出其缺点。因此，将太阳能储存材料与导电性材料结合，并在表面引入微纳米结构，将能够实现不同环境下的防/除冰一体化。图16为太阳能热能转换与储存示意图。10.12050/are20220303.F016图16太阳能热能转换和储存示意图Fig.16Schematic showing solar thermal energy conversion and storage3　结论超疏水/防疏冰表面作为当今一种新型的系统抑冰方法，已经得到了一定的发展，并展现出了良好的应用前景。本文主要基于表面结冰问题，综述了近年来关于超疏水表面防疏冰性能研究的三维热力学理论模型和试验研究的进展。指出三维热力学模型的建立可以指导表面微纳米结构尺寸的设计，并提出了超疏水表面三道防疏冰战线的策略。三维热力学理论模型的建立可以计算出微纳米结构在临界尺寸。该临界尺寸是Wenzel状态与Cassie状态之间相互转换的临界值。可以根据实际工程需要来进行指导微纳米结构尺寸的设计。此外，超疏水表面三道防疏冰策略能够全方位地抑制表面结冰/霜。其中，第一道防线是减少动态液滴与超疏水表面的接触时间，使液滴轻松滚落表面。该防线是从根本上解决了表面结冰的现象，并且探讨了在极端环境下第一道防线的失效机理。第二道防线是指在第一道防线失效后，即使液滴停留在超疏水表面上，但可以减缓液滴凝结成核时间以及减缓冷凝水结霜时间。第二道防线只是在时间上起到防水/冰的作用，也就是说表面结冰/霜只是时间问题，一旦该防线失效，可以启动第三道防线。第三道防线是电热主动除冰防线。三道防线可以相互协调，达到低功耗且表面能够一直保持无冰状态。