输电线路防冰/除冰涂层技术发展与创新综述

2023-10-12谭新玉

三峡大学学报(自然科学版) 2023年5期

李旭谭新玉,2

(1.三峡大学电气与新能源学院, 湖北宜昌 443002;2.三峡大学材料与化工学院, 湖北宜昌 443002)

覆冰是输电线路严重的自然灾害,可造成电网多方面的严重损失,给电力系统稳定乃至人类能源安全带来严重威胁[1-5].覆冰会造成线路过载,严重时会导致倒塔断线[6]、绝缘子串覆冰闪络.当冰雪融化时,冰闪的发生概率更高.加拿大和美国都曾发生过多次大面积的冰灾,使输电线路发生大面积的覆冰闪络,累计停电影响达到数百万人[7].在2008年中国冰灾期间,许多输电杆塔在积雪的重压下倒塌,导致多个市、县停电.湖南、江西两省有37%的500 k V 输电杆塔被拆除,造成约30亿美元的损失.2015年,天津市遭遇暴风雪,严重影响了电网安全运行,500 k V 输电线路多次闪络跳闸断电,造成重大经济损失[8-10].绝缘子串防冰和除冰一直是一个亟待解决的问题.

当绝缘子串表面被冰雪覆盖时,可能造成伞群桥接,改变绝缘子串表面的电场分布,使绝缘子泄漏距离缩短,电气绝缘强度降低,进而产生闪络.此外,输电线路覆冰闪络事故多发生在冰雪融化的过程中,绝缘子表面的污秽物与融化的冰雪形成高导电性溶液,使电弧持续时间长,电弧贯穿引起的闪络概率变大.研究表明,覆冰前污染越重,闪络概率越高[11].文献显示,输电线路冰雪灾害中,绝缘子覆冰闪络事故的占比最大[7].因此,架空输电线路防冰的最大目标是在不影响线路运行的情况下,提高效率和耐久性,降低技术成本,最大限度地消除结冰危害.

许多学者对输电线路覆冰的影响因素和形成机制进行了深入研究.包括覆冰观测、理论分析、实验研究等,不仅对输电线路覆冰的特征、机理及其闪络特性进行研究,而且提出了除冰策略,包括绝缘子串和导体结构优化、大电流融冰、涂层处理等防冰对策,以及覆冰后的外力除冰[12-16].一般来说,这些输电线路防冰和除冰技术各有优缺点.使用涂层来提高架空输电线路电气设备的性能和稳定性有着悠久的历史.RTV 或PRTV 抗污闪涂料被广泛用于改善玻璃和陶瓷绝缘子的污闪性能,但因其疏水性不高,材料表面在长时间的雾、露、雨水等的作用和润湿下,容易形成连续水流和水膜.且RTV 或PRTV 涂料常年暴露在户外,遭受日晒、雨淋、高温和严寒等以及紫外线的照射和强电磁场环境的影响,其防污闪能力就会慢慢减弱甚至消失.因此,其使用寿命不长[17].

随着有机材料科学和纳米科学的发展,越来越多具有超疏水、自清洁、半导体、自润滑和自修复等功能的功能涂层被开发出来,用于输电线路绝缘子防覆冰[18-19].这类功能涂层可节省人工,大大降低输电线路维护成本.防冰材料利用低表面能或高润滑性的优点,可以在低温严寒条件下,降低物体表面冰的黏附强度、延迟覆冰时间、减少材料表面覆冰量.正是因为功能性防冰涂料表现出低成本、高效率、低能耗、轻量化等独特优势,有望成为输电线路覆冰问题的首选解决方案.本文从输电线路覆冰及形成条件、输电线路现有防冰、除冰技术和防冰涂层等几个方面对输电线路绝缘子的防冰研究进行总结和分析,讨论了超疏水涂层、光热涂层和电热涂层在架空输电线路防冰保护中的效果.为预防和处理输电线路覆冰灾害提供更多有效的方法.

1 输电线路覆冰

输电线路的覆冰一般可分为白霜、雾凇、混合凇、雨凇和雪5 类.当输电架空线和绝缘子串在0℃以下、风速较低时,空气中的水分会与之接触,在表面形成白霜,白霜主要以针状或叶状晶体形式存在.当雾中的过冷水滴在风的作用下,不断与导线、绝缘子串表面碰撞,凝结成雾凇,雾凇外观如松针,呈白色.当温度下降到-5～0℃、空气相对湿度在85%以上、风速为2～15 m/s时,如果有雾或毛毛雨,输电线和绝缘子串就会开始形成雨凇,在条件不变的情况下,短时间内就会形成一层很厚、附力很强的雨凇[20-22].如果温度继续下降,就会出现雨雪天气,雨和雪在雨凇表面迅速生长,形成密度为0.6 g/cm3以上的结冰.如果气温继续从-5℃下降到-15℃,冰层将被霜覆盖,这一过程中,输电线或绝缘子表面会形成雨凇-雾凇混合层[23-24].当晴冷天气交替出现,雾凇刚开始融化就又重新结冰,会增加冰的密度,发展成雨凇与雾凇交替重叠的混合物,即混合凇[25].

覆冰对绝缘子的电气性能产生不利影响,主要有两个原因:一是泄漏电流的焦耳热,使冰雪融化,绝缘子表面污染物变潮湿,增加表面电阻;二是结冰会改变绝缘子的形状,爬电距离会迅速减小,在污染和覆冰的共同作用下,容易引起绝缘子冰闪,冰闪是一个非常复杂的过程,受水的电导率、覆冰后绝缘子的形状和冰层分布的影响最大[12].

2 输电线路防冰/除冰方法

2.1 热力融冰法

热力融冰是利用外加的热源或导线的自加热,使冰雪无法在导线上积聚,或融化已经积聚的冰雪.热力融冰法包括铁磁材料法、阻线融冰法、短路电流融冰法和过电流融冰法.短路电流融冰分为交流短路融冰和直流短路融冰.热力融冰法的缺点是耗电量大,融冰系统造价非常昂贵[5,12].

2.2 外力除冰法

外力除冰法是利用机械设备清除绝缘子或输电线表面的冰雪.外力除冰法包括人力除冰、滑轮刮板除冰、电磁振动除冰、机器人除冰和超声除冰等[11].

人力除冰法,主要是指当架空线路断电时,操作人员可以通过爬塔直接手动除冰,或将坚硬的绝缘物体从地面扔到导体上敲掉冰,或用长木棍敲打冰.当导线通电时,用绝缘棒敲击积冰处,除去覆冰.还可以在导线上做一个U 形陷阱,拖着它刮掉覆冰.这种方法比较原始,需要现场操作人员根据实际情况进行操作.只适用于导线离地较低的输电线路,除冰效率低、安全性差[11-12,23].

滑轮刮板除冰,主要由滑轮、牵引绳和钢刀片组成,安装在导线上.地面操作人员利用牵引绳拖动滑轮沿导线移动.一方面,滑轮带动钢刀在移动路径上刮除覆冰;另一方面,滑轮产生应力使导体弯曲,使冰雪从导线上脱落.其优点是装置简单,操作方便,效果明显,实用性强;缺点是需要人工操作,费时费力,受山区地形限制,对导线的损伤大[11-12,23].

电磁振动除冰法是指使输电导线产生较大的机械振动,从而使导线覆冰脱落的方法,主要分为电磁脉冲除冰法和电磁力除冰法.电磁脉冲除冰法是通过瞬时脉冲大电流产生的机械力使覆冰产生轻微膨胀变形后收缩、破裂而脱落.电磁力除冰法是将输电线路在额定电压下短路,短路电流产生的电磁力使导线互相撞击而使覆冰脱落.但成本较高,产生的振动容易损坏杆塔、金具和导线[11-12,23].

机器人除冰是近年来流行的一种除冰方法,它是由机器人代替人到达不容易除冰的危险场所,实现除冰操作的自动化[26-27].智能感知线路环境的输电线路防冰/除冰机器人,可以在线路上正常运行,对线路弧度具有很好的适应性,最大上行坡度45°[28],如图1所示.

图1 除冰机器人[28]

近年来,输电线路除冰机器人在电池、无线传输等模块进行了改进.锂离子电池的使用增加了机器人的使用时间.可任意扩展、双向传输的无线传输模块、采用新型防水接头等措施提高了机器人的可靠性[29].神经网络自学习控制方法也被用来解决输电线路除冰机器人的控制问题.Yang等探讨了除冰机器人的机械结构和动力学模型.提出了一种由模糊神经网络控制器和单层反馈神经网络识别器组成的神经网络自学习控制策略[30].

超声除冰技术是利用超声振动引起的空化效应、加热效应和最重要的机械效应来除冰.当高能超声波在板-冰分层系统中传播时,由于冰与板的物理性质不同而产生不同的传播速度,从而在板-冰接触面或界面处产生剪切应力.这种剪切应力可以破坏和剥离冰层[31].

2.3 被动除冰法

被动除冰法是指不借助外界能源,依靠自身特性进行防冰,或者使覆冰在自然环境的风力、紫外照射、温度变化以及重力的作用下自行从输电线路和绝缘子串上脱落的方法[12].主要包括安装平衡锤、阻冰环、线夹和重锤等,还有通过除冰液、盐等化学物质来防止绝缘子覆冰的方法.但大部分除冰液和除冰盐会污染环境和绝缘子.

超疏水防冰涂层被认为是输电线路和绝缘子除冰和防冰的有效替代方法[23].该方法是在绝缘子表面构建微纳结构或涂上一层超疏水材料,使水珠、冰雪不易覆盖绝缘子表面,以达到被动防冰效果.与传统的防冰除冰方法相比,防冰材料可以降低冰在表面的附着力,从而降低覆冰程度.

3 输电线路防冰/除冰涂层

由于绝缘子独特的形式和较高的绝缘要求,热力融冰法和外力除冰法并不适用于输电线路绝缘子.工程实践中常常通过改变绝缘子串的布局,如采用V型串[32]、T 型串排列[33]和大小伞群[34]来提高绝缘子的防覆冰性能,如图2所示.但是并不能从根本上解决绝缘子覆冰的问题,只起到了缓解作用.与其他防冰和除冰技术相比,使用超疏水、电热和光热等功能涂层具有低能耗、轻重量和高效率的优点,显示出广泛应用的潜力.

图2 倒T 型排列[33]与大小伞裙[34]绝缘子串覆冰情况

3.1 超疏水防冰涂层

大量文献资料和实践证明,硅橡胶表面本质上是疏水的[35-39].但是相关研究表明,水接触角(WCA)不高且疏水表面覆冰时,会降低硅橡胶绝缘子的覆冰闪络性能[36].同时,对长效室温硫化硅橡胶(PRTV)涂层在覆冰状态时的电气特性的研究结果表明,PRTV涂层不能减少绝缘子上的覆冰量,而且当涂有PRTV涂层的绝缘子覆冰后,在高电压作用下,气隙内可能发生局部放电,焦耳热将冰融化并润湿污秽层[37].这种现象加速了闪络的概率,使闪络电压降低.同时,随着老化时间的增加,绝缘子的闪络梯度会减小,这是绝缘子表面的低疏水性使污染程度增加所致[38].类似荷叶的超疏水现象引起了各个研究领域的兴趣.超疏水表面的水接触角(WCA)大于150°,滚动角(SA)小于10°.为了减少绝缘体表面与水介质的相互作用,应用了各种类型的改性,致使表面具有超疏水状态[1].超疏水表面的防冰机理可以用3 个方面来表述:第一,超疏水表面的低滚动角,使水滴在冻结前容易从表面弹跳离开;第二,水滴会在超疏水表面形成Cassie模型,粗糙的结构会作为气穴捕获空气,形成良好的保温层,减少水滴与表面的热交换,从而延迟水滴成核时间;第三,由于冰在超疏水表面的黏附力低(通常小于100 kPa),冰可以很容易地被自然力除去[12].目前超疏水防冰涂层的制备方法主要有溶胶-凝胶法、喷涂法、浸涂法、刻蚀法、激光烧蚀法以及其他方法等[11].这些制备方法的优缺点见表1.

表1 典型超疏水表面涂层的制备方法及其优缺点

3.1.1 溶胶-凝胶法

溶胶-凝胶法首先是将化学前驱体溶解于溶剂中,添加催化剂,使化学组分间发生水解、缩合等反应,形成溶胶体系;然后对溶胶体系进行陈化,溶胶粒子相互交联而形成具有三维网络结构的凝胶;最后经过干燥和烧结过程制备具有纳米结构的材料.溶胶-凝胶法制备超疏水涂层对设备要求低、制备工艺相对简单,但通常需要高温处理.Sun等采用溶胶-凝胶法结合等离子体喷射法在HTV 硅橡胶表面制备了超疏水涂层,具有优异的超疏水性和自清洁性能.在-30℃低温下,涂层表面的结冰时间比HTV 硅橡胶表面延迟了5.6倍左右[39].Li等用溶胶-凝胶法制备了具有冰点以下防覆冰性能的玻璃/瓷绝缘子超疏水涂层,第一层是在基材表面构建分层的SiO2涂层,第二层是化学改性的SiO2涂层.涂层的WCA 高达163.6°,SA 为1.4°.冬季室外试验也证实了该涂层的超疏水性能,并发现该涂层具有防冰功能[40].

3.1.2 喷涂法

喷涂法是指将涂料从容器中压出或吸出,并通过喷枪雾化后施涂于物体表面的涂装方法,具有操作简单,适用于不同形状、尺寸和材质基材的优点[2].因此,喷涂法制备超疏水涂层在科研和工业领域均得到了广泛应用.Liu等用喷涂法制备了一种基于SiO2/PDMS/EP的多功能纳米涂层,改善了表面污染、覆冰、表面电荷积聚和表面闪络等关键问题.实现了大于160°的WSA 和接近0°的小SA;减小了冰黏结强度[41].Lei等采用简单的喷涂方法制备了SiO2纳米颗粒和室温硫化硅橡胶的超疏水涂层.在-8℃和-4℃时,水滴能够迅速滚离表面.在-12℃时,表面的结冰延迟,冰体积减小.实验结果表明,超疏水涂层具有较强的防冰能力[42].

3.1.3 浸涂法

浸涂法是将被涂物体全部浸没在涂料中,经过很短的时间再取出,并将多余的涂液重新流回槽内的涂装方法[11].浸涂法具有省工省料、生产效率高、设备与操作简单、可采取机械化或自动化进行连续生产的特点,最适于单一品种的大批量生产,被广泛应用于涂层的制备.Liao等用气相疏水SiO2与环氧树脂、氟硅树脂材料浸涂法制备了超疏水防冰涂层,能有效减小覆冰面积和冰的积累[43],如图3所示.

图3 浸涂不同时间的SHP绝缘子与裸绝缘子覆冰[43]

Peng等采用浸涂法和筛沉积法制备复合绝缘子用SiO2/环氧树脂涂层.该涂料具有优异的防污和自清洁性能、良好的机械稳定性、高的热稳定性(300℃)和优异的防冰性能[44],如图4所示.

图4 涂覆和未涂覆表面的防冰试验过程[44]

3.1.4 刻蚀法

刻蚀法是一种常用的在固体表面制备粗糙结构的方法,利用离子气体或酸性或碱性溶液对固体表面进行腐蚀,从而构建粗糙结构.刻蚀法也被用于构造超疏水防冰涂层[11].Liu等采用化学刻蚀和阳极氧化相结合的方法,在铝合金表面制备了超疏水防冰表面,具有优异的超疏水性和抗冰性能,有效延缓了水的冻结.此外,在多次结冰/除冰循环后,所制备的防冰表面仍保持机械性,并且冰的附着强度保持在70 k Pa以下,接触角保持在150°以上[45].Guo等采用纳米碳酸钙和二氧化硅颗粒结合氟硅树脂和环氧树脂,用刻蚀法制备了接触角为166.4°、接触角滞回为0.9°、滑动角小于1°的超疏水表面.涂层表面能低,结构中含有微米级凹坑和纳米级珊瑚状突起,具有良好的抗结冰性能[46].

3.1.5 激光烧蚀法

大多数涂层方法在应用中仍存在一些问题,涂层材料与基材黏合的稳定性、涂层的耐久性以及高成本影响了这些方法的实际应用[11].激光烧蚀作为一种构造持久超疏水涂层的方法受到研究人员的青睐.激光烧蚀是表面改性最简单有效的方法,它不会改变基底本身的性能,通过激光将微结构直接刻蚀在基底表面,达到超疏水效果.Hong等利用飞秒激光在氧化铝陶瓷表面烧蚀出微纳米结构,再经聚二甲基硅氧烷(PDMS)修饰后,表面由超亲水转变为超疏水.涂层表面水滴的冻结时间延长了189 s.此外,涂层可以有效地防止霜的覆盖[47].Zhao等用激光烧蚀技术在硅橡胶绝缘子伞裙表面成功地设计了9种纹理的微纳米结构.确定了产生疏水性能、机械性能、防冰性能的最优设计参数[48].Emelyanenko等采用激光烧蚀方法,将等离子体中形成的纳米颗粒沉积到表面,在复合硅橡胶上制备出的超疏水涂层的WSA 高达170°,且具有持久的疏冰性能.在温度为-18℃的条件下,暴露40 h后,有25%的NaCl液滴仍保持液态.涂层表面冰的黏附强度远低于未涂层表面[49].

3.1.6 其他方法

除以上制备超疏水防冰涂层的常用方法,为了获得更好的超疏水效果,一些新的制备方法也被使用于防冰涂层.Liao等采用射频磁控溅射技术在玻璃表面制备了由六边形-环三甲氧基硅烷和Zn O 纳米棒组成的纳米薄膜.表面WCA 为165.6°,滑动角小于1°.其在雨凇环境中表面表现出优异的抗冰性能,有效减小了结冰面积.结冰开始90 min后,表面无冰率为70.4%[50].Yuan等采用原位聚合的方法合成了含正十四烷和MUF树脂壳的相变微胶囊.具有良好的热调节能力和热稳定性.将制备好的相变微胶囊加入到PRTV 涂层中制备防冰涂层.-5℃下,使水滴的冻结时间从1 381 s延长至3 432 s.此外,涂层的冰附着强度仅为裸玻璃的15%[51].

3.2 电热防冰涂层

超疏水防冰涂层在低温环境下可延迟结冰,同时,冰对表面的附着力降低,使冰层易受外力移动,不易附着在其表面,从而减少冰的积累.然而,在极端天气下,或者在结冰-融冰循环数次后,液滴就很容易黏附在粗糙表面的内部.即使粗糙表面结构被完全覆盖,其疏水、疏冰能力大大降低,冰仍会沿着粗糙表面结构的底部继续生长.为解决此问题,科学家们在涂层表面添加了光热材料、电热材料,使传统的超疏水防冰表面具有热性能.在融冰过程中,热效应首先使与固体界面接触的冰融化,这样冰层便容易被除去,减少了粗糙结构的损失,提高了防冰涂层的耐久性.

电热型防冰涂层是通过在涂层中添加炭黑等导电填料,降低涂层的电阻率,增加流过涂层的泄漏电流,通过焦耳热与场效应热使涂层表面发热,进而延缓结冰或加快融冰.目前电热型防冰涂层常用两种方法来实现:一种方法是在绝缘子的表面或者底部涂覆半导体硅橡胶;另一种方法是在超疏水涂层中添加导电粒子,如碳纳米管、炭黑、石墨烯等.半导体硅橡胶可减少覆冰环境下绝缘子表面的覆冰积累,提高绝缘子冰闪络电压.研究表明,涂有半导体RTV 涂层的绝缘子比未涂绝缘子少了约50%的冰积累,在低温下没有冰柱桥接绝缘子串,因此,涂层绝缘子的抗闪络能力较高.在低于临界温度的情况下,半导体RTV涂层可防止绝缘体上冰柱的形成[52],如图5所示.

图5 涂层绝缘子与未涂绝缘子表面覆冰[52]

Wei和Jia等从涂层电阻和涂层面积两方面研究了半导体硅橡胶涂层对陶瓷绝缘子防冰性能的影响.实验结果表明,在低温环境下,最佳的未涂层带宽约为5～8 cm.未涂层区域最好靠近绝缘子顶面边缘,这样冰柱更容易脱落[53],如图6所示.Wei等又提出了在悬式绝缘子底部涂半导体硅橡胶,上表面不处理的绝缘子串防冰新思路.当过冷水或液滴桥接未涂层区域时,形成导电路径.泄漏电流和局部放电产生的热量能融化绝缘子表面的积冰[54].

半导体涂层是通过在涂层中加入导电填料如炭黑、碳纳米管、氧化锌等来降低绝缘体的表面电阻,并利用泄漏电流产生的焦耳热防冰[12].导电填料和超疏水结合的复合电热涂层,是一种新型的防冰/除冰涂层,与传统的电加热方法相比,可减少高达58%的抗冰能耗.实现低温防冰,具有高效的电加热和防冰性能[55].半导体涂层的导电性取决于导电颗粒的类型和体积分数.小比例的碳不影响硅橡胶的疏水性和疏水性转移,能够降低冰层与材料表面的黏附力.当电流流过半导体涂层时,产生的焦耳热使表面温度升高,阻止了绝缘子表面冰的积聚[56],如图7所示.

图7 绝缘子底表面涂覆半导体涂层前后覆冰情况[56]

利用超疏水层在半导体层上组装制备新型的杂化涂层也成为电热防冰涂层的新思路.Li等在半导体层上采用改性纳米二氧化硅制备了一种超疏水自组装涂层,WCA 大于155°.综合考虑涂层厚度和导电填料含量对涂层表面闪络电压和温升的影响,该复合涂层能够改善涂层表面的电场和表面温度[57].Wang等制备了一种基于石墨烯复合材料的超疏水/电热协同防冰涂层,利用无机填料的三尺度性质构建了分层结构.石墨烯的超疏水性和高电热效率使表面在雨凇条件下不结冰.在施加50 V 电压后,70 s内覆冰可迅速清除[58].Yan等制备了改性纳米二氧化硅/碳杂化涂层,得出了绝缘子的泄漏电流、温度分布、冰形态、冰柱长度和闪络电压.涂层产生的焦耳热提高了绝缘子表面温度,涂层在减少积冰和提高绝缘子闪络电压方面优于超疏水涂层[59].

采用电热涂层进行绝缘子防冰存在两个明显的缺陷:一是功率损耗大,成本高;二是在工作状态下,涂层内的泄漏电流较大,导致涂层老化.绝缘子电热防冰涂层的耐久性有待进一步研究[12].

3.3 光热超疏水防冰涂层

除了超疏水防冰涂层和电热防冰涂层,光热超疏水防冰涂层也被开发出来.具有光热转换效应的材料,如氮化钛、碳化硅、碳纳米管、石墨烯、蜡烛烟灰、生物碳等,被用于制备超疏水的光热防冰涂层[25].

3.3.1 光热转换材料与超疏水材料结合

具有光热转换性能的材料常常与其他微纳米颗粒,如二氧化硅微纳米颗粒一起,结合低表面能材料,共同构建超疏水光热涂层.Li等用喷涂法制备了一种光热防冰纳米涂层.该纳米涂层由低发射率的氮化钛纳米颗粒层和双尺度二氧化硅颗粒疏水层组成.通电覆冰2 h后绝缘子(左)及其部分表面(右)的冰形貌如图8所示.

图8 通电覆冰2 h后绝缘子(左)及其部分表面(右)的冰形貌

光热阻冰纳米涂层导线和裸导线在低温下的除冰和除霜过程如图9所示.该纳米涂层具有高的太阳能热转换效率,同时具有超疏水性,可以在低至-15℃的低温下实现有效除冰和除霜.涂层的平均太阳能吸收率为90%,而红外发射率仅为6%,可有效抑制辐射热损失,在1个标准太阳光照下可实现72℃的升温[60].Zhang等将碳纳米管与二氧化硅纳米颗粒接枝,制备CNTs-SiO2混合物,然后用喷涂的方法将其掺入环氧基中,构建超疏水光热涂层,涂层的WCA 为159.3°.相互缠绕的CNTs-SiO2混合物,不仅使涂层表面形成微纳米分层结构,具有超疏水性能,而且具有良好的机械耐久性.涂层表面的超疏水性和CNTs光热转换能力使CNTs-SiO2/环氧涂层可延迟冰冻时间,并在光照射下数秒内融化冰层[61].

图9 光热阻冰纳米涂层导线和裸导线在低温下的除冰和除霜过程[60]

低成本的生物炭和氮化钛等纳米颗粒也用来制备超疏水光热防冰涂层.氮化钛等纳米粒子与生物碳的集成使涂层具有优异的光热转换和防冰性能.在太阳光照射下涂层表面温度升高.由于涂层优异的超疏水性和光热特性,覆盖的霜和冰可以快速融化并且滚离表面[62],生物炭和氮化钛纳米涂层的防冰/除冰性能如图10所示.另外,峰状碳化硅微观结构和绒毛状碳纳米管结构的结合可使涂层表面具有超疏水性,其WCA 高达161°,SA 低至2°.涂层可以降低冰的附着强度.利用碳纳米管的光热效应,在近红外光照射下,涂层的表面温度迅速升高,高导热的碳纳米管将热量迅速传递到周围环境.光热转换效率高达50%以上,可实现高效除冰[63].使用四氟乙烯高温烧结将纳米金刚石(ND)桥接到Ti3C2Tx MXene(通过在Ti3AlC2中蚀刻Al元素制得)表面,产生具有微/纳米结构的疏水颗粒.通过在玻璃基板上逐层涂覆室温硫化硅橡胶(RTV)和三元复合粒子,开发出超疏水光热涂层[64].由于低表面能、微/纳米结构和光热效应的协同作用,该涂层获得了优异的超疏水性(WCA 和SA分别达到160.18°和1.8°)和强的光热转换能力(温升至109.3℃),成功地将太阳能应用于防冰/除冰[64].Gou等将光热材料石墨烯加入经氟硅烷改性的SiO2超疏水溶液中,喷涂在铜基表面,制备出WCA 高达160.5°的新型光热超疏水涂层.该涂层不仅可以延缓表面液滴的冻结,减小霜层厚度,而且可以在近红外(NIR)光照射下快速去除水珠.在冷却系统打开,同时强度为2 W/cm2的红外光照射下,水滴内部温度始终高于结晶温度,水滴不会结冰[65].该项研究也进一步加深了对超疏水结构除冰过程的认识.这几种表面都是将光吸收材料的光热性能和微纳米结构的超疏水性能结合在一起,提高了恶劣条件下的抗冰能力.光热超疏水涂层性能对比见表2.

表2 光热超疏水涂层性能对比

图10 生物炭和氮化钛纳米涂层的防冰/除冰性能[62]

3.3.2 自润滑光热涂层

受猪笼草启发的光滑液体注入多孔表面(SLIPS)具有出色的疏水性能,同时,光滑表面可降低冰黏附强度,提高涂层的耐久性,与光热材料相结合,从而实现防冰和除冰相结合[25].一些研究者已经报道了将光热膜与自润滑技术相结合用于防冰和除冰.它既可以被动地疏冰,又可以通过在冰-基底界面将太阳光转化为热量来主动地除冰,并能实现长期除冰性能[66-67].Zhou等制备了一种基于多壁碳纳米管(MWNTs)和硅油的自润滑光热表面.在弱光条件下,该表面能抑制结霜,油层可以延缓结冰,并且降低冰的黏附强度.同时,自润滑光热表面具有良好的外部补给能力,可以恢复疏冰性.硅油增强了侧向的传热,改善了光热除冰效果[66].与此研究思路相一致的研究是Muhammad等制备了一种自清洁的光滑光热涂层.在光照200 s时表面温度升高了40℃.在-20℃下,冷冻的液滴在光照后40 s内能够去除.在-20℃光照下,表面覆盖的霜层在100 s内融化.由于纳米结构中注入的硅油,该自清洁光滑光热涂层具有长期的低温除冰性能[67].在30°倾斜基底不同光热涂层上冷冻液滴滑动情况如图11所示.

图11 在30°倾斜基底不同光热涂层上冷冻液滴滑动[67]

3.3.3 自修复光热涂层

自修复材料是一种受损后能够进行自我修复的新型材料.在受外界作用后做出自我诊断,并对裂纹或损伤能进行一定程度的修复.近些年,自修复材料被应用于超疏水涂层中,用于解决耐久性问题.Liu等制备了一种低黏附的超疏水光热自修复涂层.在光照下,涂层表面的冰和霜层会融化脱落.相变材料蜂蜡使涂层具有自修复性能.在化学和机械损伤后,简单的热处理后涂层就可以迅速恢复超疏水性[68].Cheng等通过结合廉价的光热转换材料(黑色涂料)、固体润滑剂(石蜡)和多孔聚酰胺基材制备了一种光热光滑表面,该表面具有快速自修复性能,可以在太阳光或近红外(NIR)光辐照下快速自修复.在-12℃条件下,涂层在1个标准太阳光照下可保持不结冰.即使温度进一步下降到-20℃,延迟结冰时间也可到212.5 s[69].Li等通过加成反应,用十二烷基胺和多巴胺修饰碳纳米管,设计了耐久性好的超疏水光热涂层.由于聚多巴胺和碳纳米管的光热协同作用,在1 k W/m2的太阳光辐照下,涂层的表面温度迅速上升到89.8℃.同时涂层具有良好的自修复性能,机械和化学损伤后可自行修复,大大延长其使用寿命[70].

蜡烛烟灰具有光热转换性能,同时还具有微纳米粗糙结构,逐渐被研究者们用于制备超疏水光热表面.蜡烛烟灰可以提供有序的微纳米结构和光热性能,用蜡烛烟灰构建超疏水光热表面可降低成本,提高效率.Wu等用蜡烛烟灰,二氧化硅和聚二甲基硅氧烷(PDMS)刷三部分构建了超疏水光热表面.在1个标准太阳光照下,表面温度可提高53℃.在环境温度低至-50℃时可保持不结冰,表面已冻结的霜和冰能在300 s内迅速融化.此外,经过氧等离子体处理后,表面在太阳光照射下可恢复超疏水性[71].