封面设计理念说明

本期封面以“冰雪灾害下的关键防护”为核心主题，力求通过多重视觉元素展现冰雪对现代基础设施的综合威胁，以及高分子材料在抗冰防护中的决定性作用。

画面左上方由深邃云层中劈下的闪电撕裂夜空，象征极端天气的突发性和灾害性。大小不一的雪花与飞溅的冰水粒子，从画面中央的飞机机翼与机身表面汇聚飞散，直观传达冰雪冲击下的高速撞击与结冰风险。飞机机翼伴随橙黄色火光般的炽热光晕，象征冰雪积聚后因摩擦和静电放电而产生的局部高温与结构损伤风险；同样，输电塔臂丫处的火光，也表现了冰雪附着导致线路摩擦过热与放电隐患。飞机周围环绕的半透明同心圆，暗示聚合物涂层形成的分子级保护屏障，将液滴和冰雪甩离机体。

下方布局的风力发电机叶片与太阳能电池板，展示冰雪附着和冰层滑落的不同形态；右侧笔直延伸的输电塔与高铁线路，则提示输电与交通系统在寒潮中同样面临结冰危害。整个中景中若隐若现的高分子链化学结构模型，由重复的球棍单元构成，贯穿各要素之间，寓意PFPE、PTFE、PDMS等功能高分子通过超疏水、低冰粘附及延缓冰核形成等多重机理，为关键部件提供“分子级护盾”。

文章创新点

      文章详细介绍了目前科学研究已有的防范和应对雨雪冰冻灾害的关键材料及其作用机制。文章先后全面地分析了雨雪冰冻灾害的影响方面、传统的预防和应对措施、防冰材料的最新研究进展以及遇到的难题和挑战。防冰材料的作用机制在于抑制冰形成的各个阶段，即减少水滴的滞留、抑制冰核的形成、限制冰的生长和传播、减少冰与基底的粘附。通过研究表面润湿性、润滑性和微观结构等，设计出气体润滑防冰涂层、液体润滑防冰涂层、“类液体”润滑防冰涂层和界面控制断裂防冰表面。文章对聚合物材料在各类防冰涂层中的应用进行了归纳和总结，分析其在有效预防和应对冰雪灾害方面的重要作用和应用潜力，进一步促进对聚合物防冰材料的科学研究和实际利用，也为安全和应急设备行业的发展贡献力量。

文章背景

       雨雪冰冻灾害在全球范围内每年周期性的发生，给人们的生产生活造成诸多不利影响，甚至危及生命财产安全。由于传统的除冰方式大多耗时耗力耗能，应对雨雪冰冻灾害具有滞后性，防冰材料则脱颖而出。使用防冰材料来防范和应对低温雨雪冰冻灾害具有节能、环保、智能的优势，符合绿色发展理念，对发展安全和应急设备行业、防范和应对低温雨雪冰冻灾害具有重要意义。

文章概述

     基于上述背景，中国科学院化学研究所刘杰研究员课题组对可用于防范和应对低温雨雪冰冻灾害的防冰材料进行了综述。文章先后介绍了雨雪冰冻灾害的影响领域(图1, 图2)，传统的主动除冰策略，聚合物材料参与制备的被动除冰表面和研究进展，以及相关聚合物防冰材料可能面临的挑战。

图1 雪灾和冰冻灾害的影响范围。

图2 雪灾和冰冻灾害对生产和生活造成的严重后果。

根据全球灾害数据平台的报告，在2000年至2022年期间，极端低温事件发生了16次，占全球气候极端事件总数的3%。除了可量化的经济损失和人员伤亡外，暴风雪和冻雨还显著影响了交通、能源和通信、农业和畜牧业以及居民生活等多个领域。

主动除冰策略(图3)在预防和应对低温雨雪冰冻灾害方面能够一定程度上减轻灾害带来的破坏、实现及时的灾后补救，但这些传统方法所固有的高能耗、环境污染以及滞后性等问题不容小觑。针对这些问题，被动除冰策略展现出了其独特的优势。文章聚焦于聚合物基防冰材料，详细介绍了聚合物材料在被动除冰表面(表1)的研究应用，阐释了不同防/除冰表面的作用机制(见图4, 图5)，并对当前的研究进展进行了总结。文中介绍到的，用于被动除冰研究的聚合物有氟基、硅基、丙烯酸类聚合物等等，它们由于自身耐磨、附着、低表面能等物理化学性质，被广泛用于防冰材料的研究。防冰材料通过表面设计，实现对形成冰的各个阶段的抑制作用，包括减少液滴的滞留、抑制冰核的形成、限制冰的生长和传播、降低冰的黏附强度。充分利用聚合物的物理性质和化学性质，以研究和设计材料的表面润湿性、润滑性和微观结构，可以制备出气体润滑防冰涂层、液体润滑防冰涂层、“类液体”润滑防冰涂层和界面控制断裂防冰表面这四种类型的防冰材料，实现在不同条件下的有效防/除冰。

图3 主动除冰方法: (a) 热融冰; (b) 机械力除冰; (c) 化学物质融冰。

表1 常见聚合物在防冰涂料中的应用。

图4 气体润滑防冰涂层的作用机制。(a) 通过调节结构设计超疏水表面；(b) 通过减少水的滞留保持抗冰；(c) 通过抑制冰成核防冰；(d) 冰粘附的两种对比状态。

图5 各种防冰涂层，包括(a)通过油层或水层实现的液体润滑防冰涂层，(b)“类液体”润滑防冰涂层，以及(c)界面控制断裂防冰表面。(d)各种表面上的冰粘附强度。

目前，尽管在雪霜预防关键材料的研发上取得了显著的进展，但关键材料的实际应用和大规模推广仍然面临着诸多挑战。例如，防冰材料在实际应用中表现出的机械稳定性和普适性不足，冰和雪的形成过程及其最终状态的复杂多变性，使得单一的防冰机制难以应对多种外部环境条件的变化；基于聚合物的防冰材料通常具有较弱的分子间力，这导致在极冷条件下材料的脆性增加和机械强度下降，从而容易产生裂纹和损坏；同时，这些关键材料还存在高制备成本、工艺复杂、规模化生产困难等问题需要解决和优化。

文章对防冰材料进行了深入的综述，阐述了其在防范和应对低温雨雪冰冻灾害方面的科学性优势和实用性潜力，重申了采用高分子材料解决结冰和覆冰问题这一创新方法的重要性，旨在推动专业领域研究人员在防冰材料研究方面的进一步发展和实际应用。

该工作发表在Chinese Journal of Polymer Science上。中国科学院化学研究所吴昕诺同学和赵雪莹硕士研究生是该论文的共同第一作者，刘杰研究员为通信联系人。

原文信息：

Advances in surface materials for resisting snow and freezing disasters.

Wu, X. N.; Zhao, X. Y.; Liu, J.