防冰涂层材料及电力材料防覆冰应用的研究进展

防冰涂层材料可有效减轻自然界结冰现象的影响,其通过防冰材料低表面能或高润滑性的特点,降低在低温严寒天气条件下物体表面冰的粘附强度,延迟材料覆冰时间,减少表面覆冰量,在保护电力材料免受冰冻灾害影响方面有着重要应用价值.基于热喷涂法制备的复合型表面防冰涂层材料,以及主被动相结合的防覆冰方法,是未来电力材料防覆冰应用发展的重要方向.然而截止目前,有关复合型表面防冰涂层材料的热喷涂制备,以及涂层在电力材料防冰中应用的研究进展综述鲜见报道.从超疏水材料与光热、电热除冰相结合的除冰方式,及超疏水-超润滑复合材料实现防冰除冰的角度出发,对近年来国内外复合防冰涂层的制备及性能的研究进展进行了综述,并重点讨论了适合于热喷涂制备的复合型涂层的防冰除冰效果.最后,讨论了超疏水防冰涂层、复合型防冰涂层在电力材料表面防覆冰方面应用的研究进展,并对热喷涂法制备防冰涂层在的局限性问题进行了总结,对其应用前景进行了展望,希望在复合型防冰方面进一步开展研究,为电力材料表面防冰涂层的未来发展提供指导.     

低冰粘附力涂层的设计与制备技术研究进展

基于飞机快速、高效除冰的目的,设计与制备低冰粘附力的涂层,以期实现较低(甚至超低)的冰层粘附强度,减轻对现有高能耗主动防/除冰技术的依赖程度.总结了现有疏冰涂层的发展历程,基于不同涂层的防覆冰机理,以冰粘附性能或除冰外力作为主要技术指标来评估涂层的防/除冰性能,依次阐明了超疏水涂层、超润滑涂层和低界面韧性涂层的除冰机理,具体介绍了三者的疏水/冰效果,对比分析了各自的优劣性.其中重点阐述了低界面韧性涂层大面积除冰的优势,即在大面积结冰条件下,以冰层剪切粘附强度定义的(超)疏冰涂层材料,其除冰外力都受限于结冰面积,随着结冰面积的增加而成比例增加.但新型的低界面韧性涂层通过诱导材料表面萌生固-冰界面微裂纹,降低其界面断裂韧性,使得微裂纹在较低的除冰外力(甚至冰层自身重力)作用下快速扩展,从而实现冰层脱离.以此总结了设计、制备新型(超)疏冰涂层的方法,展望了低冰粘附力涂层在防/除冰领域的发展方向.     

极地航行船舶防覆冰涂层研究进展

两极地区是未来重要的能源和资源基地。然而,极地长年低温多冰,极大限制了我国对两极地区的科学考察、商业航运和能源开发进程。因此,发展长效稳定的防覆冰技术是推进极地发展战略的关键。系统阐明了船舶在极地航行过程中面临的结冰困境,分析了船舶积冰的类型,总结了目前解决船舶覆冰问题的多种防除冰技术及发展现状,包括主动防除冰技术（机械除冰、超声导波除冰、加热除冰、化学熔融除冰等）和被动防覆冰涂层技术（气体润滑防覆冰涂层、液体润滑防覆冰涂层、“类液体”润滑防覆冰涂层、界面可控断裂防覆冰涂层等）,同时对各技术在极地船舶防冰应用中的优缺点和可行性进行了深入分析。展望了船舶装备对特种防冰涂层的关键需求,提出主、被动协同除冰技术是实现极地船舶防覆冰的重要策略。     

激光加工超疏水表面抗结冰性能研究进展

在低温环境中，表面结冰会严重影响户外装备的运行效率和安全，基于疏水材料的新型被动式防除冰方法引起了广泛关注。超疏水表面凭借其优越的拒水、抑制冰核形成和降低冰黏附强度等能力，在防除冰技术领域表现出广阔的应用前景。激光加工技术具有高效率和灵活性，成为制备超疏水表面的有效方法，并被进一步用来研究表面的抗结冰性能。首先，概述了固体表面润湿理论和结冰机理。其次，综合评估了激光加工超疏水表面的抗结冰性能，包括静态水滴延迟结冰时间、动态水滴累积、冰黏附强度、延迟结霜与抗冻能力、表面积冰与除冰等方面。静态水滴延迟结冰时间受到水滴与表面接触界面的成核速率和传热速率的影响，动态水滴累积与表面润湿性密切相关，冰黏附强度反映了表面对冰的附着性和除冰的难易程度。超疏水表面具有显著的延迟结冰能力，但在低温高湿条件下，表面的超疏水性可能会减弱，甚至失效。除冰过程也可能破坏超疏水表面的微观结构，进而影响其持续的抗结冰性能。最后，对超疏水表面激光加工与抗结冰性能的未来研究方向进行了展望。     

高压线防冰除冰机器人的设计

为解决高压线覆冰现象的频繁发生,通过对当前各种除冰技术的分析和总结,提出了“防冰为先,防除兼备”的新型机器人除冰理念。在设计该机器人的整体结构的基础上,分别对机械、控制与传感三部分进行了规划与设计,确定了各部分的主要功能和实现方式。通过对制作样机的试验表明：该防冰除冰机器人结构与工艺设计合理,工作状况良好,适合于高压线除冰。     

光热超疏水材料防除冰机理及应用研究进展

液滴的冻结、积聚往往会对生产、生活造成不利影响,降低设备的运行功效,甚至严重危害生命安全。相较于需要借助外力的主动式防除冰技术,超疏水表面优异的拒水性使其能够实现被动式防除冰,且无需消耗外部能量,从而受到广泛关注。在此基础上,光热超疏水表面结合了主动防除冰和被动防除冰两方面的优势,能在结冰过程的各个时期发挥作用。比如,在结冰前促进液滴的自清除,在结冰时升温表面、延缓成核,在结冰后加速融冰、快速除冰,从而实现节能且高效的固体表面防除冰。概述了超疏水表面的润湿特性和防除冰机理,重点介绍了不同种类光热材料的光热转化机理,包括基于分子热振动的碳纳米光热材料,基于纳米粒子等离激元效应的光热材料,以及基于电子?空穴对非辐射弛豫的半导体光热材料。总结了常用的提高光热转化效率的思路方法,并对比了各类光热超疏水表面在结冰、防冰、除冰及光热响应等方面的性能。最后,针对光热超疏水材料在制备和实际应用中可能存在的问题,分析了未来的发展方向与面临的挑战,为光热超疏水材料的进一步发展与应用提供思路。     

输电线路超疏水防覆冰涂层研究进展

输电线路覆冰严重威胁着电力系统的安全运行,各种防覆冰技术的研究开发是对输电线路正常运行的有力保障。防覆冰涂层能够主动抑制和缓解输电线路覆冰的形成和增长,尤其超疏水涂层可延迟水滴在涂层表面的冻结,从而实现防覆冰,具有广阔的应用前景。探讨了表面状态与覆冰现象以及覆冰粘结强度之间的关系,指出超疏水涂层的覆冰状态与普通表面具有较大差别,覆冰粘结强度明显低于普通表面。超疏水涂层实现防覆冰功能的影响因素包括表面化学成分、表面结构与环境因素,而通过简单工艺构建有效超疏水表面是超疏水涂层推广应用的关键。基于对超疏水表面防覆冰机理的分析,可知超疏水涂层具有巨大的防覆冰功能潜能,通过控制组织结构使其适应各种温度等环境因素是目前亟需解决的问题。     

配电网线路防结冰涂层构筑及其性能评价

随着我国电力系统的发展,配电网线路已经完成了多地域全覆盖,这其中必须承受广域多环境的不利影响,其中覆冰问题带来的负面影响尤为严重。使用疏水性涂层可以有效地预防配电网线路产生覆冰,与传统的机械、热力除冰法相比更节约人力和物力。因此,适用于线路的疏水涂层是现阶段改善配电网覆冰问题的研究重点。通过引入聚二甲基硅氧烷(PDMS)和SiO_2成分到环氧树脂中,成功制备了接触角大于145°的涂层,不仅显著优化了环氧涂层疏水性能,而且适用于铝绞线表面涂装。通过模拟低温和滴水自然覆冰条件,对比分析了涂覆不同疏水性能导线样品的表面覆冰质量、厚度及形貌等数据。结果表明,在-5℃时,涂覆添加有PDMS和SiO_2的环氧树脂涂层导线覆冰质量与原始导线相比降低了66.8%;如此的疏水涂层能够改变导线结冰的形貌,使总覆冰中冰挂质量的比例提升4%～6%,集中在导线下侧的冰挂更有利于配合机械法和热力融冰法进行清除。     

仿生防冰表面研究进展

飞机、风电设备和输电线路等覆冰会降低工作效率,造成财产损失,严重时甚至威胁人民生命安全.仿生防冰表面具有低能耗、低污染等优点,成为国际研究热点.首先概述了仿生防冰表面的概念,根据作用机理将仿生防冰表面分为超疏水表面和超润滑表面.分别详细地介绍了两种防冰表面的防冰机理、仿生对象及制备技术.超疏水表面改变水的润湿状态,延迟水滴结冰,减小冰粘附强度,其仿生对象包括荷叶、水稻叶等,其制备技术包括光刻、等离子刻蚀等自上而下方法,及喷涂、化学气相沉积等自下而上方法.超润滑表面将固-气-液界面作用时的空气层替换为液体层,增强润滑,减小冰粘附,其仿生对象包括猪笼草、箭蛙皮肤等,其制备技术主要为多孔制备方法.随后介绍了仿生防冰表面技术的发展趋势.在保证表面疏水/冰性能的同时,直接或间接增强表面的稳定性和耐久性,构建具有良好环境适应性(如超双疏、柔性、透明、自清洁等)与防冰结合的多功能融合表面,是未来仿生防冰表面的重要发展趋势.最后,对当前仿生防冰表面的发展和挑战进行了展望.     

超疏水高/低黏附表面的冷凝传热特性

目的 获得超疏水高、低黏附表面传热性能的差异及其规律。方法 以紫铜为基底,制备了亲水、超疏水高黏附与超疏水低黏附3类表面,研究了表面黏附性、蒸汽体积流量和冷却水流量等参数对冷凝传热的影响。结果 蒸汽体积流量较小时,3类表面中,超疏水低黏附表面因液滴受到的黏附力较小而具有最大的冷凝传热系数。当蒸汽体积流量等于4.5 L/min时,超疏水高黏附和超疏水低黏附表面的传热系数分别为14.5 kW/(m².K)和19.8 kW/(m².K),相比亲水表面分别强化了3.6和4.9倍。随蒸汽流量的增加,3类表面的冷凝传热系数均逐渐增大。但高黏附表面上的液滴因受到的气–液界面剪切作用较强,其传热系数的增幅在3类表面中最为显著。当蒸汽体积流量增大到6.0 L/min时,超疏水高黏附表面的冷凝传热系数可达105 kW/(m².K),此时略大于超疏水低黏附表面的冷凝传热系数。结论 液滴所受黏附力大小和气–液界面剪切作用程度共同决定了液滴脱落直径和冷凝传热系数的大小。因此,两类超疏水表面的冷凝传热系数随蒸汽体积流量变化的曲线存在交叉点,且交叉点所对应的蒸汽体积流量随着冷却水流量的增大而增加。     

防/疏冰涂料的机理及其发展趋势

防/疏冰涂料在冬季低温灾害以及极端冰冻天气所带来的损失面前显得尤为重要,因此解决表面结冰这一问题吸引了大量学者进行研究和讨论。将防/疏冰涂料的机理分为结构型和物理化学型,前者主要形式为在基材表面构建微纳米粗糙结构,后者主要形式为在涂料中添加可以通过自身的物理化学性质防止水滴滞留表面、延缓结冰或使冰易从表面脱落的材料。首先将结构型防/疏冰的微观机理按提出时间的进程进行总结,主要有Young方程、Wenzel方程和Cassie-Baxter方程,然后将现有文献中构建微纳米级粗糙结构的主要方法进行分类。其次,同样将物理化学型防/疏冰的微观机理按提出时间的进程进行总结,物理化学型防/疏冰材料主要有低表面能、光热、相变材料,研究中常将这2种防/疏冰机理结合使用以达到最佳效果。最后展望了防/疏冰涂料的发展趋势,在未来研发过程中,其稳定性、广泛适用性和经济实用性应被充分考虑,这三者并非完全独立,而是相辅相成,可以提升防/疏冰涂料应用的深度和广度,积极响应市场的需求。另外,制定统一的性能测试标准也将更好地助力防/疏冰涂料的研究。     

Anti-icing Behavior of Thermally Sprayed Polymer Coatings

Surface engineering shows an increasing potential to provide a sustainable approach to icing problems. Currently, several passive anti-ice properties adoptable to coatings are known, but further research is required to proceed for practical applications. This is due to the fact that icing reduces safety, operational tempo, productivity and reliability of logistics, industry and infrastructure. An icing wind tunnel and a centrifugal ice adhesion test equipment can be used to evaluate and develop anti-icing and icephobic coatings for a potential use in various arctic environments, e.g., in wind power generation, oil drilling, mining and logistic industries. The present study deals with evaluation of icing properties of flame-sprayed polyethylene (PE)-based polymer coatings. In the laboratory-scale icing tests, thermally sprayed polymer coatings showed low ice adhesion compared with metals such as aluminum and stainless steel. The ice adhesion strength of the flame-sprayed PE coating was found to have approximately seven times lower ice adhesion values compared with metallic aluminum, indicating a very promising anti-icing behavior.     

硅橡胶粉末/环氧树脂超疏水涂层的制备及其在架空导线抗结冰中的应用*

架空输电线路导线在服役过程中经常会受到覆冰影响,引发安全事故,我国是发生输电线路覆冰事故较多的国家之一, 为此针对架空导线开展抗结冰工作对保障电力系统安全运行具有重要意义。利用废旧硅橡胶复合绝缘子伞裙制备一种超疏水粉末,与环氧树脂按一定比例喷涂在玻璃基底上制备超疏水表面,其水接触角可达 154°。将制备的粉末喷涂在钢芯铝绞线表面上,对其自清洁、抗结冰及表面耐久性进行测试。研究结果表明：在低温环境下具有硅橡胶粉末 / 环氧树脂超疏水涂层的导线相比原始导线具有更好的抗结冰性能,在相同环境温度下,相同时间内其结冰量只有原始导线的一半,可以有效延缓结冰,且在光照、腐蚀、反复除冰的环境下,也具有抗冰耐久性。该制备方法简单可行、效率高,能实现废旧材料的循环利用, 可进一步应用于生产实践。     

机械表面超疏水防冰技术应用研究进展北大核心

在工业领域,机械设备表面覆冰会极大地影响设备的使用,甚至会造成严重的事故。研究表明:在机械表面上构筑超疏水表面能够有效抑制和延缓结冰的发生。这种新型的被动防冰方法,具有耗能低、防冰效果优良等优点,展现出了良好应用前景。阐述超疏水表面的疏水原理,总结常用制备超疏水表面的材料和方法,重点综述了超疏水表面防冰的3种作用机制,以及现阶段提高超疏水表面机械稳态性的研究进展。     

基于超疏水表面的主被动复合防/除冰技术研究进展

介绍了光热、电加热、磁能、声波能与超疏水表面相结合的主被动复合防/除冰技术及其机理与应用，阐述了以上复合型防/除冰技术的优势与不足。其中，光热复合技术具有耗能低、材料选择多样化等优点；电加热复合技术工艺简单，易于规模化制造；磁能复合技术可满足复杂场景的防/除冰应用需求；声波复合技术则具有结构简单的优势。此外，同时复合多种能场可进一步提升防/除冰工作效率，是主被动复合技术的发展趋势之一。最后，阐述了基于超疏水表面的主被动复合防/除冰技术的不足之处，并展望了复合防/除冰技术的应用研究前景。