在极端低温环境下，结冰问题长期困扰航空、输电、风电及交通系统。传统机械除冰和化学融冰方式能耗高、维护复杂，难以满足轻量化和高效化需求。如何实现“主动加热 + 被动抗冰”协同防护，成为当前材料领域的重要课题。近日，中国民用航空飞行学院赵欣教授、钟勉副教授等研究人员在《Journal of Materials Science》期刊发表题为“Superhydrophobic and electrothermal anti-icing performance of FEP‑doped laser-induced graphene coatings”的论文，研究通过提出将氟化乙烯丙烯共聚物（FEP）纳米粒子分散于电子氟化液（FA）中，通过喷涂辅助化学气相沉积法，结合热固化处理对激光诱导石墨烯（LIG）进行掺杂改性，成功构建了兼具微/纳分级结构及低表面能的FEP/FA-LIG复合涂层。
研究对原始LIG、FA-LIG及FEP/FA-LIG的微观形貌、元素组成、化学态及缺陷结构进行了SEM、AFM、EDS、XPS、Raman及FTIR表征，阐明了FEP掺杂对表面粗糙度重建及氟官能团接枝的协同增效机制。在此基础上，系统评估了三种样品的疏水性、结冰延迟、电热响应及循环除冰稳定性，实现：
- 构建稳定的Cassie-Baxter润湿状态
- 显著延长结冰延迟时间、提升除冰效率
- 实现快速电热响应与均匀升温
- 提升抗结冰与除冰效率
该工作为LIG基多功能防冰涂层的低成本、绿色化、规模化制备提供了全新策略。
图1 FEP-LIG复合涂层制备流程示意图
研究首先通过激光扫描聚酰亚胺（PI）薄膜表面原位制备多孔 LIG 结构，随后采用 FEP/FA 溶液进行喷涂处理并经热处理固化，最终获得兼具分级结构和低表面能的超疏水复合涂层。
AFM 和 SEM 结果表明，原始 LIG 具有典型的多孔石墨烯网络结构；引入 FA 后，表面趋于更均一平整；进一步掺杂 FEP 纳米颗粒后，表面重新形成更明显的微/纳复合粗糙结构。这种分级结构为后续超疏水界面的形成提供了关键形貌基础。
通过 EDS、Raman、XPS 和 FTIR 等表征手段，系统揭示了 FEP/FA 对 LIG 表面组成和化学状态的调控作用。EDS 结果表明，碳、氧、氟等元素在复合涂层表面分布较为均匀，说明 F 元素已成功引入 LIG 表面。Raman 光谱中可观察到典型的 D、G 和 2D 峰，证明激光成功诱导形成石墨烯结构；同时，掺杂改性后 ID/IG 与 I2D/IG 比值的变化表明，表面改性不仅影响了石墨烯的缺陷程度，也调控了其多层结构和表面微纳形貌。XPS 测试进一步证实了含氟官能团的引入，尤其是 CF₂、CF₃ 等特征键信号的出现，说明 FEP/FA 成分已稳定结合于 LIG 表面。FTIR 结果与 XPS 相互印证，进一步表明复合改性有效构建了富含氟基团的低表面能界面，为材料获得优异疏水与防冰性能奠定了化学基础。
通过接触角、滚动行为及表面自由能分析，系统评估了不同样品的润湿性能。结果表明，与原始 PI 和 LIG 相比，FEP/FA-LIG 表现出最优异的疏水性能，其水接触角达到 150.1°，达到超疏水表面标准。进一步分析发现，经过 FA 和 FEP 协同改性后，样品表面自由能显著降低，同时保持了较高的表面稳定性。滚动行为测试表明，FEP/FA-LIG 表面水滴虽具有较高接触角，但仍表现出一定黏附特征，呈现出类似“玫瑰花瓣效应”的高黏附超疏水状态。这说明该表面不仅成功构建了微/纳分级粗糙结构，还形成了稳定的低表面能界面，有利于延缓结冰并提升防冰性能。
在低温条件下，原始 LIG、FA-LIG 和FEP/FA-LIG 的结冰行为表现出明显差异。其中，FEP/FA-LIG 的完全结冰时间延长至343 s，较原始 LIG 显著提高，表明其在延缓冰核形成和抑制冰层快速生长方面具有明显优势。除冰测试表明，在外加电压作用下，该复合涂层能够实现更高效的电热除冰。
红外热成像结果显示，FEP/FA-LIG 涂层在低电压驱动下即可实现快速、均匀升温。在 7 V 条件下，其最高温度可达 120.0 ℃，并在极短时间内达到峰值，表现出优异的电热转换效率和快速响应能力。
实验结果表明，FEP/FA-LIG复合涂层具有优异超疏水性（接触角150.1°）、极长结冰延迟时间（343 s）及快速电热响应（7 V下3 s内达120℃）。其综合性能较原始LIG提升显著：结冰延迟提高4.57倍，加热响应缩短2–6倍，极限升温提升1.5-2倍。该涂层在多次除冰循环后仍保持稳定疏水特性，有效解决了传统LIG疏水衰减与热效率不足的瓶颈。该方案兼具原料易得、工艺简单、环境友好等优势，为航空器部件、汽车外饰、电力设施等领域的高效防冰/除冰表面设计提供了兼具理论深度与工程潜力的新路径。
全文链接：https://doi.org/10.1007/s10853-025-11994-0
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