溫度較低的雨水落在零度以下的輸電線路上會出現結冰現象，為輸電線路覆冰。輸電線路覆冰是電力系統最嚴重的災害之一，因覆冰導致絕緣子冰閃、過載、線路舞動，甚至斷線倒塔等事故，嚴重威脅著電網的安全運行。其中雨淞覆冰質地堅硬，不易脫落，具有足夠的強度，可導致導線覆冰迅速增長，是輸電線路覆冰的主要形式。影響輸電線路覆冰的因素很多，包括氣候分布、氣象條件、地理環(huán)境以及導線自身性質等，因而輸電線路的覆冰機理也較復雜，通常是熱力學、流體力學與電磁學綜合作用的結果。

    近年來隨著全球氣候的變化，極端天氣頻繁出現，輸電線路覆冰災害出現的可能性加大，給電網的穩(wěn)定運行帶來了挑戰(zhàn)。因此有必要對輸電線路防覆冰技術進行系統研究。為避免或減輕輸電線路覆冰造成的危害，除了要提高電網線路抗冰設計的標準外，還應積極考慮采用防覆冰或除冰技術。輸電線路防覆冰方法有熱力防覆冰/除冰法、機械除冰法、自然被動防覆冰/除冰法以及其他除冰法，然而熱力防覆冰/除冰法能耗高，機械除冰法的安全性與工作效率低，自然被動除冰法對天氣條件過于依賴，除冰效果具有偶然性，其他防覆冰/除冰法停留在理論驗證與模擬仿真階段，因此這些方法均不能從根本上抑制和消除輸電線路覆冰災害的發(fā)生。目前，頗受關注的防覆冰涂層技術是較有前景的一種輸電線路防覆冰方法。利用防覆冰涂料在輸電線路表面構造涂層，在覆冰期間主動抑制和緩解輸電線路覆冰的形成和增長，可從根本上消除輸電線路覆冰災害的發(fā)生，防覆冰涂層法由于耗能少，易于實施，受到工程和學術界的廣泛關注。本文主要綜述了輸電線路防覆冰涂料的研究進展，并針對超疏水防覆冰涂層的防冰效果及其影響因素做了詳細探討。

    1 防覆冰涂料研究進展

    根據形成涂層防覆冰工作原理的不同，防覆冰涂料可以分為四種：電熱型涂料、光熱型涂料、融冰型涂料、疏水型或超疏水型涂料。

    1.1 電熱型涂料

    電熱型涂料主要用于絕緣子防覆冰，通過向涂料中添加導電填料，涂敷于絕緣子上形成電熱型涂層。導電填料能夠降低涂層的電阻率，電壓正常運行下，絕緣子覆冰時，涂層流過的泄漏電流增加，發(fā)揮電熱效應，產生焦耳熱使涂層表面發(fā)熱，起到延緩或防止覆冰的作用。自2010 年以來，我國部分寒冷重災區(qū)的線上絕緣子開始試用半導體硅橡膠涂層，發(fā)現覆冰現象得到明顯改觀，然而涂層防冰功能受到絕緣子串的長度與絕緣子直徑的影響，而且在霧凇或濕雪天氣不宜使用。

    1.2 光熱型涂料

    光熱型涂料是指在涂料中加入吸光性能良好的物質，涂覆于輸電線路上形成光熱涂層，提高光吸收率，利用太陽光能量實現防覆冰或除冰。由于光熱型涂料本身對天氣要求苛刻，覆冰災害發(fā)生時的天氣不利于光熱型涂料作用的發(fā)揮，因此對輸電線路用光熱型涂料的研究較少。

    1.3 融冰型涂料

    融冰型涂料通過釋放有機小分子物質，能降低融冰溫度，實現融冰或脫冰。文獻[21]利用有機金屬化合物對PRTV（持久性防污閃復合涂料）進行改性，制備出融冰型涂料，可將水的融冰溫度降至？4 ℃，并能使垂直試樣的覆冰在9 h 后完全脫落，具有顯著的融冰和脫冰效果。然而，隨著時間的延長，冰點抑制劑的釋放量不斷減少，因而融冰型涂層屬于犧牲型涂層，不具有長效性。

    1.4 疏水型或超疏水型涂料

    疏水型或超疏水型涂料形成一種長久型涂層，由于表面能較低，可降低輸電線路對過冷水滴的捕獲率，降低冰與涂層間的附著力，而超疏水涂層還能夠延遲水滴在涂層表面的凍結，從而實現除冰或防覆冰。

    文獻通過化學刻蝕使鋁導線表面產生粗糙結構，以憎水性較好的氟硅烷進行表面改性，在導線上形成超疏水涂層，制備了超憎水性鋁表面，在人工氣候室中進行雨凇覆冰試驗，能在一定程度上延緩覆冰的形成。使用納米粒子填充法制備微納米防冰超疏水涂層，水接觸角高達163.1°，滾動角為4.1°，在進行雨凇覆冰試驗后，可以延緩雨凇覆冰或減少覆冰量。

    受自然界中荷葉“出淤泥而不染”超疏水效應的啟發(fā)，人類開始關注超疏水表面的研究以實現其防腐蝕、防水、自清潔、防覆冰等功能。一般將接觸角大于150°、滾動角小于10°的表面稱為超疏水表面。在凍雨降雪天氣的情況下，超疏水表面能否保持不結冰狀態(tài)或降低冰層的附著力，引起了眾多研究學者的興趣。

    2 表面潤濕狀態(tài)與覆冰的關系

   2.1 表面狀態(tài)與覆冰現象

    Saito 等人首次報道了將超疏水涂層應用于防覆冰。有研究直觀地給出超疏水涂層表面的覆冰現象，驗證了超疏水涂層表面具有良好的防覆冰功能。

    文獻研究了涂覆超疏水涂層的絕緣子在雨凇條件下的防覆冰性能和交流閃絡電壓，認為超疏水涂層在雨凇條件下能夠減少覆冰面積和覆冰重量，并且超疏水涂層能夠避免連續(xù)水膜的形成，提高絕緣子的冰閃電壓。圖1 為普通絕緣子和超疏水絕緣子在雨凇條件下的覆冰形貌，發(fā)現超疏水絕緣子表面只有少量的冰粒附著，并未形成連續(xù)的冰膜，覆冰量明顯減少，而且冰層分布稀疏，使得冰層在外力作用下更容易除去。

    文獻探討了不同潤濕狀態(tài)下鋁表面的覆冰情況，發(fā)現當噴射過冷水30 min 后，超親水鋁表面或涂覆RTV（室溫硫化硅橡膠）的疏水鋁表面鋪滿冰層，而涂覆超疏水涂層的鋁表面僅有少量冰附著，說明超疏水涂層能夠減緩覆冰的形成。當環(huán)境溫度為-10 ℃時，超疏水涂層的水接觸角仍然保持在150°，因此超疏水涂層的水接觸角并不受到環(huán)境溫度的影響。

    文獻研究了超疏水納米結構膜的覆冰行為。隨著過冷水滴噴射時間的延長，發(fā)現未處理玻璃表面很快被冰層覆蓋。涂覆超疏水涂層的玻璃表面，覆冰面積隨時間的延長而逐漸增大，然而覆冰與超疏水涂層并未實際接觸，如圖2a 所示。當將結冰的超疏水涂層玻璃片置于室溫時，冰層幾乎全部消失，如圖2b 所示。

    通過觀察超疏水涂層表面的覆冰情況，可以看出超疏水涂層能夠起到延遲覆冰的作用，盡管隨著時間的延長，超疏水表面仍然出現覆冰，但是覆冰狀態(tài)與普通表面具有顯著差異。由于超疏水表面本身對水具有大的接觸角，超疏水表面與其覆冰接觸面積較小，當冰層融化后，形成的水滴極易從超疏水表面滾落，而不改變其表面狀態(tài)。

    通過對比觀察超疏水涂層的覆冰狀態(tài)固然直觀，然而卻不能得出覆冰與涂層的結合狀態(tài)。通過測試不同表面狀態(tài)的覆冰粘結強度，從理論上提供了超疏水表面能夠實現防覆冰功能的有力證據。

    2.2 表面狀態(tài)與覆冰粘結強度的關系

    由于輸電線路表面的覆冰現象與覆冰粘結強度有關，而覆冰粘結強度受到表面與水分子之間相互運動的強烈影響，通常認為高表面能表面具有較強的覆冰粘結強度，可通過選擇低表面能化學成分的超疏水表面來降低覆冰粘結強度。通過覆冰粘結強度的測量，不僅可以對超疏水涂層的防覆冰功能進行有效評價，還可以對后續(xù)除冰進行指導。覆冰粘結強度的測試方法有拉力法和離心力法。由覆冰粘結強度引申出的另一覆冰評價參數為附著力降低系數ARF ，是由原始表面與超疏水涂層表面的覆冰粘結強度的比值計算得到。

    一些研究認為，隨著靜態(tài)水接觸角的提高，覆冰粘結強度下降，或覆冰粘結強度與前進角或后退角有關。然而他們均認為超疏水涂層能夠有效降低覆冰粘結強度或延遲水滴凍結，預示著較好的防覆冰潛能。R. Menini通過陽極氧化與刻蝕處理鋁表面，注入PTFE 懸浮液制得PTFE 耐磨超疏水涂層。相對于未處理鋁表面，該涂層可使覆冰粘結強度降為原來的1/4，且經過10 輪結冰-脫冰試驗后，該涂層仍具有較高的附著力降低系數。文獻探討了光滑表面與不同幾何參數的微納米柱陣列表面的覆冰粘結強度，如圖3所示。可以看出：相對疏水微米柱陣列表面，超疏水表面的覆冰粘結強度降為原來的1/3左右；相對于光滑表面，超疏水表面的覆冰粘結強度值降為原來的1/5。因此認為具有多層微納結構的超疏水表面具有優(yōu)異的防覆冰能力。Guo 探討了具有不同微觀結構表面的延遲水滴凍結時間，認為具有微納結構的表面能夠有效延遲水滴的凍結時間，從而可以實現防覆冰功能。

    文獻制備的超疏水涂層的機械性能較高，經過結冰-脫冰循環(huán)實驗后，涂層表面未受到任何影響，接觸角保持在155°。而且，超疏水涂層的覆冰粘結強度相比硅橡膠涂層與鋁表面的覆冰粘結強度降低了很多，具有長效穩(wěn)定性，因而有望在輸電線路防覆冰中發(fā)揮作用。

    超疏水涂層能否降低覆冰粘結強度還存在一定的爭議。文獻[39]測得親水涂層、疏水涂層、含氟溶膠-凝膠涂層以及粘彈性橡膠涂層等相對鋁表面的附著力降低系數，發(fā)現親水性涂層具有較低的附著力降低系數，而疏水性涂層的附著力降低系數分布范圍較寬，有些疏水性涂層的ARF 值為1~20，有些疏水性涂層的ARF 值在100 以上，超疏水涂層的ARF 值卻很低。然而該文獻中涉及超疏水涂層相對疏水涂層的數量過少，說服力不夠。

    以上對超疏水涂層防覆冰效果的研究表明，超疏水表面在一定條件下具有較好的防覆冰功能。然而超疏水表面能否防覆冰是多種影響因素綜合作用的結果，它與超疏水表面化學成分與表面能、表面形貌以及溫度、濕度和風速等環(huán)境條件有較大關系。因此目前更多研究不單單關注于超疏水表面相對普通表面的防覆冰功能，而轉向于超疏水表面實現防覆冰功能的影響因素，以對超疏水表面進行控制。

    3 超疏水涂層表面對防覆冰的影響因素

    3.1 表面化學成分與表面能

    由Young 氏方程可知，液體在理想光滑表面的接觸角與固體的表面自由能有關，如圖4 中Young氏模型所示，當固液氣三相達到平衡時，從三相接觸線的一點沿氣液界面作切線，切線與固液界面的夾角定義為靜態(tài)接觸角θ。通過改變固體表面的化學成分，進而控制固體表面的化學性質，降低其表面自由能，可以提高材料表面的靜態(tài)接觸角，使其具有疏水效果。因而，可通過選擇化學成分獲得低表面能表面，從而降低水或冰的粘附強度。

    F 元素具有較小的原子半徑和原子中最大的電負性，是降低表面能最有效的元素。—CF 3 基團在材料表面緊密有序堆積成六方結構，具有最低至6.7 mN/m的表面能，因而被認為具有最佳的疏水性或疏冰性。文獻研究了具有不同表面能的超疏水鋁表面的水凝結現象，發(fā)現涂覆含F 量較高的PFO 聚合物涂層的超疏水鋁表面，在-10 ℃、相對濕度為90%時，仍具有較大的接觸角和小滾動角。探討了幾種含氟聚合物的防覆冰性能，指出覆冰粘結強度與表面化學成分密切相關，表1 列出了不同化學成分的含氟聚合物的覆冰粘結強度。可以看出，表面化學成分中低O 高F 含量的P-PTFE 涂層的覆冰粘結強度最低，高O 低F 含量的F-PU 涂層的覆冰粘結強度最高。這是由于F-PU 涂層表面具有較多的極性基團，在與水或冰層之間形成氫鍵的過程中具有較大的相互作用力，因此冰層與表面之間的粘結強度較高。而高F 含量意味著低表面自由能，與水或冰原子之間的相互作用力弱，因而冰層與表面之間的粘結強度較低。

    然而，通過改變表面化學組成，以降低表面自由能來獲得超疏水性的方法不可行。根據Young 氏模型，理想光滑表面的接觸角僅與其表面化學性質有關，減小表面能可以使接觸角增加，但這種方法有一定的極限，使用已知表面能最低的物質對光滑表面進行修飾，最大可獲得的接觸角僅為119°  。

    3.2 表面結構

    Young 氏模型只能描述理想光滑的固體表面的潤濕性，而實際固體均具有一定的粗糙度，因而Wenzel 模型對Young 氏方程進行了改進，認為固體表面的粗糙度可使疏水表面的接觸角變大。Wenzel模型用于描述水滴在具有粗糙度且化學性質均一的表面的潤濕性，當固體表面由不同化學性質的表面組成時，Cassie-Baxter 模型更適用于多級分層結構。

    Wenzel 模型與Cassie-Baxter 模型如圖5 所示，可以直觀地看出，水滴接觸固體表面呈Cassie-Baxter 狀態(tài)時，固液接觸面積比例很小，水滴大部分與空氣相接觸，粗糙結構能產生很多的氣墊將水滴托起。

    由上可知，粗糙度和表面形貌可通過影響固體表面的潤濕狀態(tài)來影響水滴的接觸角。因此超疏水表面的構造需要具有兩個基本條件：一是低表面能物質，二是微納粗糙結構。粗糙結構是影響超疏水表面發(fā)揮防覆冰功能的重要因素。一方面，超疏水涂層的微納粗糙結構可以在一定程度上阻擋過冷水滴與表面之間的熱傳遞，形成被保護表面的隔熱層，因而能夠減少或防止冰層的聚集。另一方面，超疏水的粗糙度有可能更有利于捕獲過冷水滴，從而使其更容易形核而結冰，并且具有較強的釘扎力，從而提高覆冰粘結強度。

    文獻利用噴丸工藝制備出具有高粗糙度的試樣，探討了表面粗糙程度對覆冰粘結強度的影響。相同粗糙度的合金表面覆冰剪切強度隨水接觸角的增大而減小。當表面化學成分相同時，未處理的光滑Al 表面的覆冰粘結強度總是低于經噴丸的粗糙Al 表面。文獻利用旋涂和噴涂工藝制備了具有不同粗糙度的硅橡膠納米復合涂層，均具有優(yōu)異的超疏水性能。然而經覆冰剪切強度的檢測，發(fā)現經旋涂工藝制得的涂層能夠明顯降低覆冰粘結強度，ARF 值接近于5，而噴涂工藝制得的涂層的ARF 值僅為1.17。這是由于兩種工藝制得的涂層表面粗糙度不同造成的，旋涂工藝制備的涂層表面粗糙度為500 nm，而噴涂工藝制備的涂層表面粗糙度達8 μm。圖6 為旋涂與噴涂涂層表面3D 掃描圖像。由于噴涂工藝制備的表面粗糙度較大，細小水滴更容易滲透進該類粗糙結構中而結冰，因此粗糙度大的噴涂涂層表面的覆冰粘結強度要遠高于旋涂涂層表面。

    因此，粗糙度是超疏水涂層具備超疏水效果的必要條件，然而對于其防覆冰功能的發(fā)揮是一把“雙刃劍”，如何調控具有防覆冰功能的超疏水涂層的表面微觀結構，仍需大量工作。

    3.3 環(huán)境因素

    由于覆冰通常發(fā)生在嚴寒的凍雨冰雪天氣，超疏水涂層能否在低溫下維持超疏水或疏冰特性是非常關鍵的問題，因而不得不考慮環(huán)境因素對超疏水涂層實現防覆冰功能的影響。一些研究關注超疏水涂層表面覆冰過程中的氣象條件，如超疏水涂層在低溫下的靜態(tài)接觸角與覆冰粘結強度的變化，認為超疏水涂層在低溫下的靜態(tài)接觸角會變小，覆冰粘結強度提高，容易形成積冰。

    由于覆冰現象與雨滴的微物理性密切相關，部分研究開始關注雨滴的微物理特性對超疏水涂層表面覆冰性能的影響。監(jiān)測了覆冰發(fā)生前的氣溫、風速與風向等氣象條件，并測量了位于湖北恩施天氣雷達站的雨滴直徑以及水滴含量，探討了雨氣的微物理特性對覆冰厚度與形貌的影響，認為凍雨是發(fā)生覆冰災害的“催化劑”。文獻通過零度風洞試驗，調整氣壓與水壓模擬覆冰氣象參數，探討了水滴平均直徑與單位體積水滴含量對超疏水涂層表面防覆冰性能的影響，發(fā)現超疏水涂層防覆冰性能隨著水滴平均直徑與單位體積水滴含量的增加而急劇減弱，甚至消失。如何保持超疏水涂層在嚴酷條件下的防覆冰效果，仍然存在較大的技術挑戰(zhàn)。

    結合目前超疏水涂層防覆冰功能的研究進展，超疏水涂層若要實現防覆冰功效，需要考慮超疏水表面化學成分、微納結構及環(huán)境因素的綜合影響。目前在對輸電線路超疏水涂層的防覆冰研究報道中，基本沿用或采用通用技術。傳統超疏水防覆冰涂層的制備方法均需貴重設備或復雜工藝，現場施工難度大，效果難以保證，并且涂層耐磨性、耐候性能較差，而通過簡單工藝構建具有優(yōu)異耐磨性與耐候性的超疏水表面是超疏水涂層發(fā)揮防覆冰功能的關鍵。

    3.4 超疏水表面防覆冰機理

    超疏水表面在適當條件下可以實現延緩或防止覆冰的發(fā)生，為實現對超疏水表面的可控性，超疏水表面防覆冰機理研究是非常必要的。

    基于Cassie-Baxter 模型，當水滴落在超疏水表面上時，水滴會與超疏水表面粗糙結構之間的空氣接觸， 因而水滴與超疏水表面的實際接觸面積＜10%。小的水滴接觸面積比例是超疏水表面實現防覆冰的主導因素，它使超疏水表面具有較大的水接觸角與小的滾動角，因而能使水滴在結冰前脫落，或者使水滴或冰層具有小的粘結強度而脫落。此外，超疏水表面能夠延遲水滴的凝固結晶，從經典成核理論來講，超疏水表面減少了異質形核的襯底，使其接近于均質形核，成核速率大大降低，因而不利于水滴結冰，從而實現防覆冰。因此防覆冰功能的實現是超疏水表面及其粗糙結構上的異質形核綜合作用的結果。

    專利（US2010314575Al）利用經典成核理論解釋了納米粒子尺寸對覆冰形成的影響，提出超疏水涂層的納米粒徑是影響冰晶形成的重要因素，研究認為較小的納米粒徑能夠提高水滴結晶凝固的形核功，水滴需要克服較大的形核阻力才能開始結晶。A.

    Alizadeh 借助經典成核理論解釋了超疏水涂層表面延遲冰晶形成機制，指出在中等過冷度時，超疏水表面較大的水接觸角能夠減少固液接觸面積，提升冰晶形核阻力，從而延遲水滴結冰。而在較大的過冷度下，氣液表面成核成為主導因素，超疏水表面的作用明顯削弱。基于成核理論對超疏水表面防覆冰機制的分析，可知超疏水表面具有防覆冰功能潛能，然而控制其組織結構使其適應各種溫度等環(huán)境因素是目前亟需解決的問題。通過探究低溫下水滴結冰過程，結合熱量傳遞和經典成核理論等對超疏水表面的防雨凇覆冰機理研究是前沿理論，對輸電線路防雨凇覆冰的機理研究具有重要的現實意義。

    4 結語

    在導線表面制備具有耐久性防覆冰性能的超疏水表面，是實現主動防覆冰的經濟、可行的技術之一。 但就目前的超疏水涂料的技術現狀來說，涂層所構建的微觀粗糙結構和化學組成是決定其防覆冰性能的關鍵，經優(yōu)化工藝制備的超疏水表面可以延緩或防止覆冰的發(fā)生。

    目前對輸電線路超疏水涂層的防覆冰研究報道中，還未見有規(guī)模化應用成功的報道。傳統的超疏水防覆冰涂層的制備方法均需貴重設備或復雜工藝，現場施工難度大，效果難以保證。通過簡單工藝構建具有優(yōu)異耐磨性與耐候性的超疏水表面，并在嚴酷天氣條件下維持其防覆冰性能，是超疏水涂層實現推廣應用的關鍵。

    今后需要針對導線覆冰與超疏水表面防覆冰機理、超疏水防覆冰涂料性能的改進等開展深入研究。應提高涂料施工工藝的寬泛性，以適應輸電線路不規(guī)則外形表面的大面積快速制備等，形成輸電線路整體防覆冰研究與技術開發(fā)體系。

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責任編輯：王元

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