基于N改性MXene/SiO₂气凝胶复合光热涂层的风机叶片除冰性能研究

摘要

[目的]针对寒冷地区风机叶片覆冰问题，开发一种高效、稳定的光热除冰涂层，以提升除冰效率并降低能源消耗。[方法]通过尿素热解法制备氮掺杂二维过渡金属碳（氮）化物MXene（MXene@N），并将其与SiO₂气凝胶复合，构建具有“光热转换-热管理”协同机制的功能涂层。采用扫描电镜（SEM）、能谱（EDS）、吸收光谱、热成像等手段表征涂层的结构、光热性能及除冰行为，考察其在不同厚度冰层覆盖下的除冰效果与循环稳定性。[结果]在MXene表面实现了5.3%（原子分数）氮原子掺杂，掺杂后的MXene@N仍保持层状结构，且层间距扩大至0.98 nm，光吸收率较未掺杂样品提升7.41%。MXene@N质量分数为15%的水性聚氨酯涂层光热性能最佳，在近红外光下平均吸收率达89.7%，光热-散热动态平衡温度为147.6°C，被2 mm和4 mm厚的冰层覆盖后的除冰时间分别为45 s和90 s，对2 mm厚的冰层循环除冰30次后的除冰时间不超过47.8 s，在磨损和酸/碱浸泡试验中都表现出良好的结构与性能稳定性。[结论]氮掺杂有效增强了MXene的光热转换性能，而Si O₂气凝胶作为隔热与分散基质，显著提升了涂层的热管理能力与耐久性。该复合涂层兼具高效、稳定、环境适应性强等优点，为风机叶片除冰提供了一种有实际应用前景的方案。

关键词

二维过渡金属碳(氮)化物 / 氮改性 / 二氧化硅气凝胶 / 水性聚氨酯 / 复合涂层 / 风机叶片 / 光热除冰