輸配電裝備及系統(tǒng)安全與新技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（重慶大學(xué)）的研究人員李劍、王湘雯、黃正勇、趙學(xué)童、王飛鵬，在2017年第16期《電工技術(shù)學(xué)報(bào)》上撰文指出，輸電線路的覆冰災(zāi)害是電力系統(tǒng)最嚴(yán)重的威脅之一。超疏水絕緣涂層具有強(qiáng)憎水性和低表面能，因而具有提高輸電線路防覆冰與防污性能的潛力。對(duì)超疏水絕緣涂層的制備方法及其在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用研究現(xiàn)狀進(jìn)行概述，介紹超疏水絕緣涂層的電絕緣性、化學(xué)穩(wěn)定性、機(jī)械穩(wěn)定性等基本性能，對(duì)比分析超疏水絕緣涂層與普通憎水性絕緣涂層的防覆冰與防污性能，闡明超疏水絕緣涂層在延緩絕緣子覆冰方面的機(jī)理。此外，對(duì)超疏水絕緣涂層在耐腐蝕等領(lǐng)域的應(yīng)用研究現(xiàn)狀也進(jìn)行了介紹。提出在未來(lái)輸電線路超疏水絕緣涂層的研究中，應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注制備方法的經(jīng)濟(jì)性、涂層表面的長(zhǎng)效性以及防污閃機(jī)理等方面的關(guān)鍵問(wèn)題，提升涂層的綜合性能。

    為應(yīng)對(duì)電力能源地理分布不平衡問(wèn)題，我國(guó)提出了西電東送、南北互供、超級(jí)電網(wǎng)[1]以及全球能源互聯(lián)網(wǎng)[2]發(fā)展戰(zhàn)略。全球能源互聯(lián)網(wǎng)[1]由跨洲、跨國(guó)骨干網(wǎng)架和各國(guó)各電壓等級(jí)電網(wǎng)（輸電網(wǎng)、配電網(wǎng)）構(gòu)成，連接“一極一道”（北極、赤道）大型能源基地，實(shí)現(xiàn)電能長(zhǎng)距離輸送和優(yōu)化配置。因此，遠(yuǎn)距離、大容量的超、特高壓輸電線路必然要經(jīng)過(guò)高海拔、重覆冰、重污染地區(qū)。

    我國(guó)輸電線路一直遭受著嚴(yán)重的覆冰危害。2008年1月，我國(guó)南方地區(qū)的大范圍冰凍雨雪災(zāi)害對(duì)電力運(yùn)行造成災(zāi)難性影響，湖南、湖北、江西、安徽、貴州等省線路覆冰厚度超過(guò)30mm，超過(guò)輸電線路所能承受極限，造成絕緣子閃絡(luò)、輸電線路跳閘、導(dǎo)線斷線及桿塔倒塌等嚴(yán)重事故，電網(wǎng)結(jié)構(gòu)遭到嚴(yán)重破壞。

    此次災(zāi)害致使我國(guó)13個(gè)?。▍^(qū)）的電力系統(tǒng)運(yùn)行受到影響，全國(guó)范圍內(nèi)36740條10kV及以上電力線路、1743座變電站停運(yùn)，高壓線路桿塔倒塌17.2萬(wàn)基，導(dǎo)致3348萬(wàn)戶、1億多人口停電，直接經(jīng)濟(jì)損失超過(guò)（人民幣）1000億元，而造成的間接經(jīng)濟(jì)損失以及社會(huì)影響更是難以估計(jì)[3,4]。

    輸電線路的覆冰災(zāi)害是電力系統(tǒng)最嚴(yán)重的威脅之一，與其他類型的電網(wǎng)事故相比，冰災(zāi)事故給電網(wǎng)造成的損失更為嚴(yán)重。

    一方面，冰雪的堆積改變了絕緣子的外形結(jié)構(gòu)，特別是冰凌的產(chǎn)生改變了絕緣子沿面的泄漏路徑，使絕緣子表面的電位分布發(fā)生變化，同時(shí)，冰雪在泄漏電流產(chǎn)生的焦耳熱作用下融化，使絕緣子表面污穢濕潤(rùn)，導(dǎo)致絕緣子表面電阻降低，從而降低了絕緣子的閃絡(luò)電壓。

    另一方面，線路覆冰增大了導(dǎo)線重量，桿塔受到導(dǎo)線的張力不平衡，導(dǎo)致導(dǎo)線舞動(dòng)、斷線、倒塔（桿）、甚至導(dǎo)致電網(wǎng)癱瘓等事故。此外，發(fā)生冰災(zāi)時(shí)，惡劣的氣候條件使受災(zāi)輸電線路的搶修非常困難，導(dǎo)致電網(wǎng)停電時(shí)間長(zhǎng)，從而造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失[5,6]。

    近年來(lái)，受全球氣候變暖影響，極端天氣頻繁出現(xiàn)，冰災(zāi)事故發(fā)生概率有所上升，冰災(zāi)對(duì)電網(wǎng)安全的影響更加顯著，因此，研究輸電線路防覆冰技術(shù)具有重大意義。

    目前，防冰除冰方法主要有機(jī)械除冰法[6]、熱力防冰法[7]、被動(dòng)防冰法[8]、涂料防冰法[9]等。涂料防冰法也是一種被動(dòng)防冰方法，主要有兩種類型：一種是電熱防冰涂料[10]及光熱防冰涂料[11]，主要通過(guò)調(diào)整覆冰過(guò)程中涂層的溫度達(dá)到防覆冰目的，但在不覆冰時(shí)涂層中仍有泄漏電流通過(guò)，因此不僅會(huì)增加線路損耗，其熱效應(yīng)也會(huì)加速涂料老化；另一種是憎水性防冰涂料[12]，通過(guò)改變過(guò)冷卻水滴或覆冰與涂層表面的相互作用力達(dá)到防冰目的。

    目前，電力系統(tǒng)應(yīng)用較多的憎水性涂料主要是有機(jī)硅涂料，如硅油、硅脂、長(zhǎng)效硅脂、地蠟以及室溫硫化硅橡膠（RTV）、持久性就地成型防污閃復(fù)合涂料（PRTV），但是這些憎水性涂料都不具備良好的防冰效果。

    另外，輸電線路還經(jīng)常遭受工業(yè)污穢或自然界鹽堿、灰塵、鳥(niǎo)糞等污染，在霧、露、毛毛雨、融冰、融雪等惡劣氣象條件下，絕緣性能下降，易致污閃[13,14]。2001年2月，大霧籠罩我國(guó)北方地區(qū)，造成了覆蓋遼寧中部、河北南北部、京津唐電網(wǎng)等地區(qū)的大面積污閃停電事故，遼寧電網(wǎng)500kV與220kV輸電線路共跳閘168條次，豫西、豫北電網(wǎng)500kV和220kV線路共跳閘155條次，僅遼寧省電量損失就高達(dá)9 370MW·h。

    2005年1月廣東電網(wǎng)發(fā)生大面積污閃停電事故，涉及220kV線路5條、500kV線路12條，致使500kV南部環(huán)網(wǎng)解環(huán)運(yùn)行。2011年初，新疆電網(wǎng)遭受連續(xù)大霧天氣侵襲，9座110～220kV變電站的母線失電壓停電，導(dǎo)致新疆電網(wǎng)解裂[15,16]。

    絕緣子表面污穢閃絡(luò)主要經(jīng)歷積污、污穢的濕潤(rùn)，干燥帶的形成及局部電弧的產(chǎn)生，局部電弧發(fā)展至完全閃絡(luò)四個(gè)階段[17]。在干燥條件下，表面臟污的絕緣子仍有很高的絕緣強(qiáng)度，但在霧、露、毛毛雨等氣候條件下，空氣濕度大幅增加，絕緣子表面凝露濕潤(rùn)，形成大片的連續(xù)性水膜，并充分溶解污穢中的電解質(zhì)成分，在外加電壓作用下其表面電導(dǎo)和泄漏電流顯著增加，在絕緣子表面形成導(dǎo)電通路，使污穢絕緣子表面電氣性能降低，在正常運(yùn)行電壓下就可能發(fā)生絕緣子沿面閃絡(luò)。

    據(jù)統(tǒng)計(jì)，目前由于污穢而引起的絕緣子閃絡(luò)事故在電網(wǎng)總事故中位居第二，僅次于雷擊事故。由于污閃事故發(fā)生區(qū)域廣、停電時(shí)間長(zhǎng)、重合閘成功率低，將帶來(lái)巨大的經(jīng)濟(jì)損失和社會(huì)影響[14,18-20]，目前我國(guó)污閃事故造成的損失是雷擊事故的十倍以上。

    近年來(lái)電力系統(tǒng)廣泛采取的防污閃措施主要有定期清掃、增加爬距、防污型絕緣子、半導(dǎo)體釉絕緣子、復(fù)合絕緣子、涂刷憎水性涂料等[18]，其中，涂刷RTV涂料是輸電線路防污閃的一項(xiàng)重要技術(shù)措施。RTV具有優(yōu)異的憎水性和憎水遷移性，當(dāng)涂層表面積聚污穢后，由于硅烷小分子的遷移作用，污穢層表面仍能保持憎水性，因此在大霧、毛毛雨等惡劣天氣條件下污穢層不易受潮形成連續(xù)水膜[21]。

    研究表明，涂覆RTV涂料絕緣子的污閃電壓是未涂覆的2.1倍[22]。同時(shí)，RTV涂料還具有憎水恢復(fù)性，表面電弧或長(zhǎng)時(shí)間水浸等因素導(dǎo)致涂層表面憎水性暫時(shí)減弱或喪失時(shí)，當(dāng)電弧或水浸等因素消除后，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間其表面的憎水性可恢復(fù)，具有長(zhǎng)時(shí)效、少維護(hù)、施涂工藝簡(jiǎn)單、低成本、高可靠性等優(yōu)點(diǎn)。

    但是大量應(yīng)用實(shí)踐表明，有機(jī)硅化合物涂料的接觸角一般不超過(guò)120°，在覆冰初期具有一定延緩覆冰的作用，但不能在嚴(yán)重覆冰過(guò)程中發(fā)揮防冰效果，且RTV的憎水性導(dǎo)致絕緣子上覆冰層內(nèi)部形成高場(chǎng)強(qiáng)的“空腔”，使絕緣子表面更易產(chǎn)生局部放電并燒傷涂層，冰閃電壓降低約7%～15%[23]。

    近年來(lái)，仿荷葉超疏水涂層受到學(xué)者和工程技術(shù)界的廣泛關(guān)注。荷葉表面由于具有極強(qiáng)的疏水性，水滴和灰塵受到荷葉表面很小的粘附力，因此水滴在滾動(dòng)時(shí)可以粘附并帶走荷葉表面上的灰塵，使荷葉表面始終保持清潔。過(guò)冷卻水滴落在超疏水涂層表面上時(shí)，由于受到的粘附力很小，在釋放其自身潛熱前便能夠迅速滾離，因此，在導(dǎo)線和絕緣子表面涂覆超疏水涂料可以明顯降低冰、雪在導(dǎo)線或絕緣子上的附著力，延緩表面覆冰增長(zhǎng)，有助于提高輸電線路的防覆冰與防污能力[24]。

    本文對(duì)超疏水絕緣涂層在延緩絕緣子覆冰方面的機(jī)理進(jìn)行了簡(jiǎn)述，就當(dāng)前國(guó)內(nèi)外超疏水涂層的制備方法及其電絕緣性、化學(xué)穩(wěn)定性、機(jī)械穩(wěn)定性等基本性能進(jìn)行了介紹，概述了超疏水涂層在電力系統(tǒng)中的防覆冰與防污應(yīng)用研究現(xiàn)狀。

    1  超疏水涂層的基本原理

    1.1  超疏水涂層潤(rùn)濕性理論（略）

    浸潤(rùn)性是影響固體表面疏水性能的重要因素，其主要與固體的表面張力和液體的表面張力有關(guān)，接觸角和滾動(dòng)角是衡量表面浸潤(rùn)性的重要因素。超疏水表面的接觸角大于150°，滾動(dòng)角小于5°，具有低表面能和強(qiáng)憎水性的特點(diǎn)，其疏水性能取決于其表面化學(xué)結(jié)構(gòu)和表面粗糙度。

    圖1  粗糙表面的水滴潤(rùn)濕模型示意圖

 

 

    仿荷葉超疏水涂層表面具有微納二元復(fù)合粗糙結(jié)構(gòu)，即表面分布有大量微米級(jí)的突起，而微米尺度突起上又分布大量納米尺度的突起。這種復(fù)合結(jié)構(gòu)可以使水滴不會(huì)浸潤(rùn)突起間的縫隙，使得尺寸遠(yuǎn)大于這種結(jié)構(gòu)的水滴只能隔著空氣在突起上形成點(diǎn)接觸，在這種狀態(tài)下，水滴具有很大的接觸角和較小的滾動(dòng)角，有利于過(guò)冷卻水滴迅速?gòu)耐繉颖砻鏉L落[25,26]。

    構(gòu)造超疏水涂層表面不僅需要形成二元微納復(fù)合粗糙結(jié)構(gòu)，還需要采用低表面能物質(zhì)，當(dāng)?shù)捅砻婺芪镔|(zhì)的表面張力小于水的表面張力時(shí)，水滴接近球形，過(guò)冷卻水滴落在超疏水涂層上時(shí)，很難在這種涂層表面停留，在釋放其自身潛熱前便能夠迅速滾離表面[27,28]。

    1.2  超疏水涂層防冰、防污機(jī)理

    超疏水涂層防冰、防污技術(shù)的關(guān)鍵是降低冰和襯底的附著力，即提高表面的憎水性。如圖2[29]所示，超疏水涂層不僅可以降低絕緣子表面的潤(rùn)濕程度，其粗糙表面還可以減小涂層與污穢物的有效接觸面積[29]，水滴滾落超疏水表面時(shí)有機(jī)會(huì)把表面的大部分污穢物帶走，這不僅提高了涂層的防冰性能，也可以在一定程度上起到防污作用。

    圖2  液滴從表面滾落帶走附著的污染物

 

    水容易與氫粘合，容易吸附在具有氫結(jié)合成分（即氧原子）的表面，低附著力表面應(yīng)具有將氧原子隔開(kāi)的惰性原子或原子團(tuán)。因此，防冰、防污涂料主要是含有碳?xì)浠衔?CH2-或-CH3-、碳氟化合物-CF2-或-CF3-等低表面能基團(tuán)的聚合物[30]。

    超疏水絕緣涂料主要有三類[24]：第一類是有機(jī)氟、有機(jī)硅、烷烴及烯烴等化合物；第二類是有機(jī)氟、有機(jī)硅、烷烴及烯烴化合物跟其他有機(jī)物的共混體系，如丙烯酸-有機(jī)硅共混體系、環(huán)氧樹(shù)脂-有機(jī)硅共混體系；第三類是有機(jī)氟、有機(jī)硅、烷烴及烯烴化合物跟其他帶活性基團(tuán)的有機(jī)物嵌段或者接枝共聚物，如氟烯烴-乙烯基醚二元共聚物、偏二氟乙烯-四氟乙烯-六氟丙烯三元共聚物、偏二氟乙烯-四氟乙烯-三氟氯乙烯三元共聚物。

    有機(jī)氟聚合物中，氟原子具有很強(qiáng)的電負(fù)性，增強(qiáng)了與碳原子的排斥力，同時(shí)，由于氟原子間的作用力很小，使其向外層遷移并在表層產(chǎn)生聚集效應(yīng)，從而降低材料的表面能，所以有機(jī)氟聚合物難以被液體完全浸潤(rùn)或附著，且其修飾的表面有著很強(qiáng)的抗附著性和耐污染性。有機(jī)氟聚合物的表面能是已知化合物中最低的，尤其是以-CF3-單分子組成的分子層，表面張力僅為0.6×10-2N/m。

    有機(jī)硅聚合物結(jié)構(gòu)中既含有機(jī)基團(tuán)，又有無(wú)機(jī)結(jié)構(gòu)，表現(xiàn)出良好的疏水性能[31]，并且具有高度支鏈結(jié)構(gòu)，分子鏈柔順性良好，易于轉(zhuǎn)變成表面能較低的結(jié)構(gòu)，表面能比有機(jī)氟聚合物略高，但有機(jī)氟聚合物的成本價(jià)格卻遠(yuǎn)高于有機(jī)硅聚合物[32,33]。

    2  超疏水涂層的制備方法及基本性能

    2.1  超疏水涂層的制備方法

    固體表面的浸潤(rùn)性是由表面化學(xué)組成和表面粗糙度共同決定的，因此，超疏水表面可以通過(guò)兩種方法來(lái)制備，即在表面有效構(gòu)建二元微納粗糙結(jié)構(gòu)以及在粗糙表面上通過(guò)化學(xué)、物理方法修飾低表面能物質(zhì)。

    目前超疏水涂層的制備方法主要有沉積法[34,35]、刻蝕法[36,37]、電弧法[38,39]、噴涂法[40,41]、相分離法[42,43]、模板法[44]、等離子體處理法[37]、靜電紡絲技術(shù)[45]、溶膠凝膠法[46]等，見(jiàn)表1[27]。

    表1 超疏水涂層的制備方法

 

    2.1.1  有機(jī)硅聚合物超疏水涂層的制備及性能

    有機(jī)硅聚合物具有耐臭氧性、耐高低溫、低潤(rùn)濕性、低表面能、優(yōu)良的電絕緣性、耐化學(xué)腐蝕性與耐候性等優(yōu)點(diǎn)，受到國(guó)內(nèi)外學(xué)者的廣泛研究，主要集中在含有疏水基團(tuán)的硅烷單體，如辛基三乙氧基硅烷、十七氟癸基三乙氧基硅烷、十八烷基三甲氧基硅烷、異丁基三甲氧基硅烷、聚二甲基硅氧烷（PDMS）等[47]。但有機(jī)硅聚合物也存在一些缺點(diǎn)，如長(zhǎng)效性差，通常需要使用填料進(jìn)行改性，使其更適合應(yīng)用需要。

    文獻(xiàn)[34]以正硅酸乙酯和乙烯基三乙氧基硅烷（VTES）為主要原料，利用沉淀法制備了含有雙鍵的VTES改性納米二氧化硅超疏水復(fù)合涂層。研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)正硅酸乙酯和乙烯基三乙氧基硅烷的用量介于88%～95%之間，縮合時(shí)間超過(guò)5h，二氧化硅的接枝率提高，制備的涂層與水的靜態(tài)接觸角達(dá)到170°，滾動(dòng)角小于1°，且涂層的疏水性能隨著固化溫度的升高而增加。

    文獻(xiàn)[36]利用激光刻蝕技術(shù)得到了微納米復(fù)合結(jié)構(gòu)的PDMS超疏水薄膜，與單純的微米或納米結(jié)構(gòu)的PDMS（接觸角為105°）表面相比，具有更高的接觸角和較低的滾動(dòng)角，并且可以通過(guò)改變微米結(jié)構(gòu)的尺寸來(lái)調(diào)控薄膜表面的接觸角和滾動(dòng)角的大小。

    重慶大學(xué)參照RTV涂料的材料特點(diǎn)和制備方法，制備出低表面能超疏水涂料。通過(guò)自組裝法實(shí)現(xiàn)微納雙重粗糙結(jié)構(gòu)，并在納米二氧化硅自組裝體與基體之間引入PDMS過(guò)渡層，制備出無(wú)固化龜裂的PDMS/納米二氧化硅雜化超疏水涂層。水滴與超疏水涂層的靜態(tài)接觸角平均值為162°，接觸角滯后值為2.1°，具有良好的超疏水性及耐酸堿性[24]。

    另外，采用大氣電弧放電法將廢舊硅橡膠轉(zhuǎn)化為復(fù)合微米和納米硅橡膠粒子的填料，制備出超疏水硅橡膠涂層，涂層具有良好的自清潔性和耐化學(xué)腐蝕性能[38,39]。文獻(xiàn)[40]進(jìn)一步采用移動(dòng)噴涂法控制噴涂氣壓和噴涂距離，調(diào)節(jié)涂層表面和內(nèi)部的有機(jī)硅和微納米硅橡膠填料的結(jié)構(gòu)分布，制備出微納米填料梯度分布的耐磨超疏水涂層，其表面疏水性隨噴涂距離增加而增加，涂層具有良好的機(jī)械耐磨性能。

    2.1.2  有機(jī)氟聚合物超疏水涂層的制備及性能

    含氟涂料主要有聚偏氟乙烯聚合物（PVDF）、聚四氟乙烯聚合物（PTFE）、全氟聚合物與水性化含氟聚合物。由于環(huán)保要求，水性化含氟聚合物（如有機(jī)氟乳液、有機(jī)氟分散體）成為研究熱點(diǎn)。

    文獻(xiàn)[35]采用沉積法，以PVDF為原料，用高能氧等離子對(duì)其進(jìn)行轟擊使PVDF具有活性基團(tuán)，得到超疏水PVDF薄膜，表面接觸角為156.6°，滾動(dòng)角僅為4°，具有良好的超疏水性和化學(xué)穩(wěn)定性。

    文獻(xiàn)[37]采用等離子體刻蝕技術(shù)，利用PTFE對(duì)聚丙烯酸膜進(jìn)行處理，通過(guò)調(diào)節(jié)工藝條件等使其表面產(chǎn)生一定的表面粗糙度，所制備超疏水表面接觸角高達(dá)172°。文獻(xiàn)[41]以PTFE/聚苯硫醚為原料，采用噴涂法制備了超疏水涂層，發(fā)現(xiàn)PTFE含量為4%時(shí)，涂料的靜態(tài)接觸角達(dá)158°，加入納米二氧化硅后涂層的靜態(tài)接觸角進(jìn)一步增加，達(dá)到164°，具有良好的超疏水性，同時(shí)涂層與基底的附著力也得到了提高。

    文獻(xiàn)[33]將甲苯溶劑升溫后加入單體和引發(fā)劑，反應(yīng)得到含氟丙烯酸樹(shù)脂聚合物，加入氣相二氧化硅制備超疏水涂層。研究發(fā)現(xiàn)，含氟樹(shù)脂的疏水性能隨著含氟單體用量的增加而增加，當(dāng)含氟單體的用量為5%，納米二氧化硅與氟改性丙烯酸樹(shù)脂比例為1∶1時(shí)，得到的涂層與水的靜態(tài)接觸角可達(dá)165°，涂層可降低玻璃與冰的附著力近80%，并有良好的自清潔性能。

    表2顯示了含氟單體用量對(duì)接觸角的影響。由于C-F鍵極短且鍵能很高，含氟丙烯酸樹(shù)脂中的全氟基團(tuán)位于聚合物的側(cè)鏈上，在成膜過(guò)程中，全氟烷基富集到聚合物與空氣的界面，對(duì)主鏈及內(nèi)部分子形成保護(hù)。此外，氟原子半徑比氫原子略大，但比其他原子的半徑小，因此能夠把碳碳主鏈包住，形成持久的抗水性，使接觸角增大。

    表2 含氟單體含量對(duì)接觸角的影響

 

    2.1.3  烷烴、烯烴化合物超疏水涂層的制備及性能

    烷烴和烯烴具有低表面能、良好的機(jī)械強(qiáng)度與電絕緣性等特點(diǎn)，其分子鏈中不含極性基團(tuán)，且具有一定的結(jié)晶性，因此具有良好的疏水性。

    文獻(xiàn)[42]以聚丙烯（PP）為原料，將二甲苯作為溶劑，甲基乙基酮、環(huán)己酮、異丙醇為非溶劑，利用相分離法，在不同的基質(zhì)上通過(guò)真空加熱制備出凝膠狀多孔PP超疏水表面，表面的接觸角可達(dá)到160°。

    文獻(xiàn)[43]采用類似的方法制備了低密度聚乙烯（LDPE）超疏水表面。通過(guò)延長(zhǎng)LDPE的結(jié)晶時(shí)間和提高其成核速率制備了接觸角和滾動(dòng)角分別為173.0°±2.5°和1.9°的LDPE超疏水表面。

    文獻(xiàn)[44]將LDPE、PS、HDPE和PP等多種聚合物以不同型號(hào)砂紙為模板，采用比較溫和的熱壓成型進(jìn)行復(fù)制，圖3為烯烴化合物以不同型號(hào)砂紙為模板制得疏水表面接觸角的比較結(jié)果。LDPE、PS、HDPE和PP等聚合物表面的靜態(tài)接觸角分別為（95±3）°、（98±2）°、（100±2）°和（103±2）°，砂紙復(fù)制表面的接觸角隨表面粗糙度的增大而提高，當(dāng)砂紙磨料粒徑為7～5mm和5～3.5mm時(shí)，接觸角可超過(guò)150°，呈超疏水性。

    圖3 不同砂紙模板對(duì)烯烴化合物表面接觸角的影響

 

    文獻(xiàn)[48]通過(guò)磁控濺射鍍膜、熱氧化與烷基修飾，制備了納米級(jí)超疏水表面。表3為烷基修飾對(duì)表面疏水性的影響。含-CH2與-CH3低表面張力基團(tuán)的長(zhǎng)鏈烷烴的存在使得膜層具有較低的表面能，配合一定的粗糙結(jié)構(gòu)使表面具有超疏水特性，其靜態(tài)接觸角為165.6°，滾動(dòng)角小于1°。該表面材料能夠顯著延緩結(jié)冰，在-5℃的環(huán)境中雨淞覆冰90min后，表面仍然有70.4%的面積保持無(wú)覆冰狀態(tài)。

    表3  烷基表面修飾對(duì)膜層疏水性能的影響

 

    2.2  超疏水涂層的基本性能

    輸電線路長(zhǎng)期運(yùn)行于高電壓、強(qiáng)電場(chǎng)、酸雨等嚴(yán)酷環(huán)境中，要求超疏水絕緣涂料具有基本電絕緣性能與機(jī)械強(qiáng)度，并能夠長(zhǎng)期保持疏水特性。

    2.2.1  超疏水涂層的基本電絕緣性能

    超疏水涂層具有二元微納復(fù)合粗糙結(jié)構(gòu)，使得產(chǎn)生表面電導(dǎo)電流的電子在涂層表面的實(shí)際運(yùn)動(dòng)路徑增長(zhǎng)，而且在相同環(huán)境中，超疏水表面具有低潤(rùn)濕性，其吸附的水分含量遠(yuǎn)低于普通表面吸附的水分，涂層大部分仍處于干燥狀態(tài)，這有利于表面電阻率的提高[24]。圖4為超疏水涂層、RTV硅橡膠涂層與玻璃的表面電阻率。

    三種樣品的表面電阻率都隨電壓的增大而減小，超疏水涂層的表面電阻率始終大于其他兩種樣品的表面電阻率，符合電力設(shè)備外絕緣對(duì)表面電阻率的要求。

    圖4 不同直流電壓下三種表面的電阻率

 

    涂層的干閃與濕閃電壓可以反映其絕緣水平。表4列出了超疏水涂層、RTV硅橡膠涂層和無(wú)涂層的單片F(xiàn)C-100/146玻璃絕緣子的干閃與濕閃電壓。涂覆超疏水涂層和RTV涂層的單片絕緣子的干閃電壓均略高于無(wú)涂層的單片絕緣子的干閃電壓；對(duì)于濕閃電壓，超疏水涂層顯著高于玻璃絕緣子，可以有效提高絕緣子的濕閃電壓，因此超疏水涂層具有優(yōu)異的電絕緣性能。

    表4  不同涂層單片F(xiàn)C-100/146玻璃絕緣子干/濕閃電壓

 

    2.2.2  超疏水涂層的化學(xué)穩(wěn)定性

    超疏水表面含有的碳?xì)浠衔?CH2-或-CH3-基團(tuán)、碳氟化合物-CF2-或-CF3-基團(tuán)等能夠把主鏈及內(nèi)部分子包住而形成保護(hù)，具有良好的化學(xué)穩(wěn)定性。同時(shí)，當(dāng)酸性或堿性液滴撞擊到超疏水涂層時(shí)，液滴能快速脫離表面，與表面的接觸時(shí)間較短，因而能在一定程度上延緩腐蝕。

    然而，目前的研究結(jié)果表明，疏水化處理的表面持久性能不好，這是因?yàn)槭杷畡┓肿又饕且晕锢砦酱嬖谟诒∧け砻?，未能形成化學(xué)鍵合，隨著時(shí)間的推移，環(huán)境中的塵土以及靜電的作用使疏水劑分子開(kāi)始解吸，造成疏水性能降低。當(dāng)疏水性能退化到一定程度后，疏水官能團(tuán)與表面形成吸附平衡，疏水性能趨于穩(wěn)定[49]。

    文獻(xiàn)[34]采用刻蝕法在親水性硅材料上制備出超疏水表面，該方法不需要低表面能物質(zhì)修飾，超疏水表面由頂部凹陷的硅納米線和底部微米柱結(jié)構(gòu)構(gòu)成，可以長(zhǎng)期保持疏水性能。

    文獻(xiàn)[50]以有機(jī)硅烷修飾的納米二氧化硅為填料，采用水解法制備出耐化學(xué)腐蝕的超疏水涂層。表5列出了超疏水表面浸泡在不同化學(xué)試劑中的滾動(dòng)角，結(jié)果顯示，在弱酸及有機(jī)溶劑環(huán)境中，超疏水表面的滾動(dòng)角變化不大，均小于10°，具有一定的耐化學(xué)腐蝕性。

    表5 超疏水表面在不同化學(xué)環(huán)境中的滾動(dòng)角

 

    文獻(xiàn)[24]在納米二氧化硅自組裝體與基體之間引入PDMS過(guò)渡層，PDMS具有較強(qiáng)的表面趨附力而滲透到納米粒子組裝體之間，填充納米粒子組裝體由于固化收縮而產(chǎn)生的空間，從而防止超疏水涂層的固化龜裂，提高超疏水涂層的強(qiáng)度和穩(wěn)定性。在室內(nèi)存儲(chǔ)5個(gè)月的過(guò)程中，超疏水表面靜態(tài)接觸角始終保持在150°以上，說(shuō)明超疏水涂層具有良好的疏水穩(wěn)定性。

    同時(shí)，對(duì)涂層進(jìn)行酸堿耐受性實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，水滴pH值由1變化到14的過(guò)程中，表面接觸角始終大于150°，滾動(dòng)角保持較小數(shù)值，該超疏水表面具有耐強(qiáng)酸強(qiáng)堿性。這是由于酸性或堿性的水滴與PDMS超疏水涂層接觸時(shí)，首先接觸的是PDMS分子，其鏈上的Si-O-Si鍵被周圍的-CH3基團(tuán)所保護(hù)，使PDMS分子不會(huì)被酸性或堿性物質(zhì)腐蝕，因此能夠使超疏水涂層在酸性和堿性條件下依然保持良好的超疏水特性。

    2.2.3  超疏水涂層的力學(xué)性能

    許多超疏水表面力學(xué)性能較差，主要?dú)w因于兩方面：首先，超疏水表面上的微、納米粗糙結(jié)構(gòu)通常比較脆弱，容易因沖擊、摩擦等機(jī)械作用而損壞，降低其表面粗糙度，從而減弱了表面的疏水性能；其次，表面磨損等會(huì)造成低表面能物質(zhì)的損耗，表面化學(xué)組成的改變將導(dǎo)致疏水性能下降[51]。

    文獻(xiàn)[52]表明，具有微納二元結(jié)構(gòu)的超疏水表面耐磨性能要好于單純由納米或微米結(jié)構(gòu)組成的超疏水表面。表6列出了不同超疏水表面的磨損情況。微納二元復(fù)合結(jié)構(gòu)在磨損過(guò)程中，微米結(jié)構(gòu)頂端的納米結(jié)構(gòu)受磨損被破壞，而下層未受磨損的納米結(jié)構(gòu)使表面依然保持超疏水性，滾動(dòng)角略有所增加，但遠(yuǎn)小于單純納米或微米結(jié)構(gòu)的超疏水表面。

    表6 幾種超疏水表面的磨損試驗(yàn)

 

    文獻(xiàn)[53]采用層層自組裝法，將兩層聚電解質(zhì)粘結(jié)劑、二氧化硅顆粒、氟硅烷分層噴涂在玻璃基底表面，最終形成了超疏水表面。分別采用原子力顯微力學(xué)摩擦和砂紙摩擦的方法測(cè)試涂層的疏水穩(wěn)定性，經(jīng)過(guò)10mN的微觀尺度磨損和10mN的宏觀機(jī)械磨損后，仍難以在超疏水涂層表面觀察到磨損的痕跡，涂層繼續(xù)保持良好的超疏水性能。硬質(zhì)二氧化硅顆粒和各層間的靜電作用起到了提高涂層機(jī)械耐磨性能的效果。

    文獻(xiàn)[54]以納米二氧化硅粒子為填料、環(huán)氧樹(shù)脂為粘合劑，采用噴涂法制備出表面具有微納粗糙結(jié)構(gòu)的耐磨超疏水涂層。采用漆膜劃格試驗(yàn)對(duì)超疏水涂層的附著力進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果表明劃格后涂層表面未出現(xiàn)脫落現(xiàn)象。超疏水涂層表面包裹的環(huán)氧樹(shù)脂具有一定的彈性，在磨損過(guò)程中以壓縮變形的方式防止了表面破壞的發(fā)生，且磨損結(jié)束后形變的彈性體微結(jié)構(gòu)恢復(fù)原有的表面結(jié)構(gòu)，使得超疏水涂層具有優(yōu)異的力學(xué)性能。

    因此，目前提高超疏水涂層力學(xué)性能的方法主要有三種：一是構(gòu)建二元微納粗糙結(jié)構(gòu)，利用微納復(fù)合結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)效超疏水效果；二是采用具有良好力學(xué)性能的材料，增強(qiáng)超疏水涂層的機(jī)械耐磨性能；三是選用減磨耐磨的彈性材料，提高超疏水材料的抗磨性。

    3  超疏水涂層在電氣領(lǐng)域的應(yīng)用

    由于超疏水表面具有特殊的潤(rùn)濕特性，使其在電力系統(tǒng)防露、防腐蝕、高壓電氣設(shè)備防冰閃、防污閃等許多方面具有潛在應(yīng)用前景。

    3.1  超疏水涂層的防冰應(yīng)用

    將超疏水涂料涂于輸電導(dǎo)線、絕緣子等表面，雖然不能完全防止冰的形成，但是可以降低冰雪在涂層表面的附著力，達(dá)到防覆冰的目的[55]。超疏水涂層的接觸角越大、滾動(dòng)角越小，過(guò)冷卻水結(jié)冰時(shí)間越長(zhǎng)，覆冰粘接強(qiáng)度越低，防覆冰效果越明顯[12]。

    過(guò)冷卻水滴捕獲率與覆冰粘接強(qiáng)度是表征超疏水表面覆冰特性的兩個(gè)重要參量。文獻(xiàn)[56]對(duì)超疏水涂層覆冰過(guò)程中過(guò)冷卻水滴捕獲率進(jìn)行了研究。圖5為超疏水涂層的過(guò)冷卻水滴捕獲率隨覆冰時(shí)間的變化規(guī)律。可以看出，超疏水表面的過(guò)冷卻水捕獲率始終小于RTV和無(wú)涂層玻璃板，且隨覆冰時(shí)間呈“緩慢增大—快速增大—趨于穩(wěn)定”的增長(zhǎng)趨勢(shì)，表明隨著覆冰時(shí)間的延長(zhǎng)，超疏水涂層的防冰效果會(huì)降低。

    這是由于覆冰初期過(guò)冷卻水滴能夠迅速滾離表面，但隨時(shí)間延長(zhǎng)，超疏水涂層上生長(zhǎng)的冰滴會(huì)粘附滾動(dòng)的過(guò)冷卻水滴，過(guò)冷卻水滴的受力分析如圖6a所示，水滴在超疏水涂層表面受到冰滴粘附力Fw、超疏水涂層的斥力Fs和自身重力平行于超疏水涂層表面上的分量gs的共同作用，由于Fw和Fs的方向與過(guò)冷卻水滴的滾動(dòng)趨勢(shì)相反，gs與過(guò)冷卻水滴的滾動(dòng)趨勢(shì)相同，過(guò)冷卻水滴必須滿足gs＞Fw+Fs才能滾離超疏水表面，導(dǎo)致過(guò)冷卻水滴捕獲率呈現(xiàn)較大幅度的上升。

    隨著冰滴的增多，過(guò)冷卻水滴在超疏水表面的受力如圖6b所示，過(guò)冷卻水滴受到上方冰滴的吸引力Fw1與下方冰滴的引力Fw2作用，F(xiàn)w1與過(guò)冷卻水滴的滾動(dòng)趨勢(shì)相反，F(xiàn)w2和gs與過(guò)冷卻水滴的滾動(dòng)趨勢(shì)相同，過(guò)冷卻水滴相對(duì)易于沿著冰滴表面向下運(yùn)動(dòng)，從而削弱超疏水表面的過(guò)冷卻水滴捕獲率的增長(zhǎng)趨勢(shì)。

    圖5 三種試品覆冰持續(xù)時(shí)間與過(guò)冷卻水滴捕獲率關(guān)系

 

    圖6 不同覆冰進(jìn)程的過(guò)冷卻水滴受力分析

 

    超疏水涂層的覆冰粘接強(qiáng)度隨疏水性的增大而逐漸減小。表7對(duì)比了三種表面的覆冰粘接強(qiáng)度[24]，超疏水涂層的覆冰垂直粘接強(qiáng)度和剪切粘接強(qiáng)度最小，這是因?yàn)橐环矫娉杷繉拥牡捅砻婺軠p小了冰與涂層的作用力，另一方面，涂層的粗糙結(jié)構(gòu)在冰和涂層間引入空氣，減小冰對(duì)涂層的附著力，見(jiàn)表8，涂層超疏水性的增加可以大大降低冰對(duì)涂層的附著力[33]，從而具有防覆冰特性。

    表7 三種表面覆冰粘接強(qiáng)度

 

    表8 涂層表面疏水性對(duì)冰的附著力的影響

 

    雨淞條件下絕緣子覆冰是危害最為嚴(yán)重的情況，極易造成絕緣子閃絡(luò)[57]。通過(guò)人工氣候?qū)嶒?yàn)室覆冰實(shí)驗(yàn)對(duì)雨淞條件下超疏水涂層防覆冰性能的研究發(fā)現(xiàn)，超疏水涂層在覆冰初期可以阻止連續(xù)水膜的形成，有效減少覆冰面積和覆冰重量，具有良好的延緩覆冰的作用，且絕緣子傾斜角度越大延緩覆冰的效果越明顯[55]。

    表9[58]列出了三種玻璃絕緣子的冰閃電壓，由于超疏水涂層未形成連續(xù)的水膜，沒(méi)有穩(wěn)定的放電路徑，且不易發(fā)生冰棱橋接，故可以提高絕緣子的冰閃電壓。

    表9 玻璃絕緣子覆冰閃絡(luò)電壓[58]

 

    為研究自然條件下超疏水涂層的防冰效果，在湖南省雪峰山對(duì)超疏水玻璃絕緣子進(jìn)行自然覆冰過(guò)程研究[24]。研究發(fā)現(xiàn)，覆冰初期，整個(gè)超疏水玻璃絕緣子串上幾乎沒(méi)有覆冰，霧氣未在超疏水絕緣子表面形成水膜，超疏水絕緣子的傘群迎風(fēng)面只粘附極少量肉眼可見(jiàn)的圓球狀水滴。

    覆冰開(kāi)始18h后，超疏水玻璃絕緣子串和無(wú)涂層玻璃絕緣子串上的覆冰形貌如圖7所示，超疏水玻璃絕緣子串表面雨淞覆冰繼續(xù)呈分立狀態(tài)，絕緣子表面存在很多球狀冰滴，未形成連續(xù)冰膜，并且表面上的冰層在風(fēng)力作用下容易剝落。而無(wú)涂層玻璃絕緣子表面完全被冰層覆蓋，如圖7b，絕緣子表面形成雨淞后，由于風(fēng)的存在以及空氣濕度大的原因，導(dǎo)致雨淞表面形成霧凇，覆冰透明而且牢固。此外，在融冰過(guò)程中，超疏水玻璃絕緣子上的覆冰呈塊狀脫落，脫冰后裸

    圖7 覆冰開(kāi)始18h后不同絕緣子串的覆冰外觀

 

    露出的超疏水傘群表面保持干燥，融冰水在超疏水傘群表面呈圓球狀，依然保持超疏水特性。而無(wú)涂層玻璃絕緣子上的覆冰依然牢固，無(wú)任何脫落跡象。超疏水玻璃絕緣子可以防止表面在融冰過(guò)程中形成連續(xù)性導(dǎo)電水膜，同時(shí)減小超疏水玻璃絕緣子傘裙間的橋接程度，使超疏水玻璃絕緣子在融冰過(guò)程中保持較高的融冰閃絡(luò)電壓。

    3.2  超疏水涂層的防污應(yīng)用研究

    輸電線路發(fā)生污穢閃絡(luò)必須滿足電壓作用、表面積污和表面濕潤(rùn)三個(gè)必要條件。目前的研究表明，超疏水表面具有良好的防污性能，一方面，涂層的超疏水性可降低絕緣子表面的潤(rùn)濕程度，保留充分的干帶區(qū)域，使得絕緣子表面的局部電弧難以向前發(fā)展；另一方面，超疏水表面的水滴滾落或去露過(guò)程有機(jī)會(huì)帶走絕緣子表面的污穢物，提高絕緣子表面的清潔度。因此，超疏水涂層在提高絕緣子污閃電壓方面有著巨大的應(yīng)用潛力。

    超疏水表面的微液滴合并自彈跳現(xiàn)象如圖8[61]所示，此現(xiàn)象有助于涂層低溫下抗凝露。液滴在自發(fā)合并彈跳過(guò)程中，高表面能的微液滴合并時(shí)，微液滴將高表面能轉(zhuǎn)化為合并后液滴的動(dòng)能，克服其與涂層之間的粘附力和重力，自發(fā)彈離超疏水涂層表面[59]。相對(duì)于超疏水表面的納米結(jié)構(gòu)，微納米復(fù)合結(jié)構(gòu)組成的超疏水表面的液滴融合自反彈數(shù)、表

    圖8 超疏水表面液滴彈跳行為

 

    面液滴直徑均有所提高，表面液滴覆蓋率下降。文獻(xiàn)[60]通過(guò)分子模擬法研究了超疏水表面的納米液滴自彈跳行為，結(jié)果表明，液滴在納米尺度下仍保持融合自彈跳行為，液滴彈跳速度與液滴直徑呈反比，這是因?yàn)榧{米液滴比表面積非常大，融合時(shí)比表面積轉(zhuǎn)化的動(dòng)能也大。

    文獻(xiàn)[62]利用泥土、炭黑等混合污染物，研究了耐磨超疏水涂層的自清潔效果，如圖9和圖10所示。結(jié)果表明超疏水表面不僅不容易積污，而且可以利用滾落的水珠清除表面堆積的塵埃，超疏水涂層的清潔效果接近96%，防污效果理想。圖9中，ⅰ～ⅴ顯示疏水性能增強(qiáng)。

    圖9 涂層的自清潔效果

 

    圖10 不同樣品自清潔效果

 

    文獻(xiàn)[39]對(duì)超疏水表面水滴彈跳過(guò)程進(jìn)行了研究，如圖11a所示。當(dāng)液滴落在超疏水表面后立即發(fā)生彈跳，并分裂為主液滴和衛(wèi)星液滴，主液滴經(jīng)過(guò)多次彈跳后離開(kāi)超疏水表面，最終粘附在裸銅表面（虛線外區(qū)域），超疏水表面為干燥態(tài)，裸銅表面為潤(rùn)濕態(tài)。

    同時(shí)，對(duì)銅電極表面超疏水涂層的自清潔性能進(jìn)行了研究，如圖11b所示，液滴每次降落在超疏水表面時(shí)都會(huì)粘附部分炭黑粒子并脫離超疏水表面，經(jīng)過(guò)10滴水的沖洗后，表面的大部分炭黑粒子已被清除，實(shí)現(xiàn)了表面自清潔，而裸銅表面仍有液滴附著，說(shuō)明液滴在超疏水表面的彈跳過(guò)程具有去污效果。

    圖11 銅電極超疏水表面水滴

 

    文獻(xiàn)[63]對(duì)超疏水涂層在電場(chǎng)下的水滴彈跳現(xiàn)象進(jìn)行了研究。在切向交流電場(chǎng)下，水滴最初在超疏水表面沿水平方向小幅振動(dòng)，隨時(shí)間增長(zhǎng)，水滴在垂直方向上的彈跳距離逐漸增大，且開(kāi)始在超疏水表面沿水平方向彈跳，最終水滴在連續(xù)彈跳后徹底脫離超疏水表面；而不帶電情況下超疏水表面的水滴在超疏水表面沿水平方向的運(yùn)動(dòng)距離很小，連續(xù)彈跳后水滴最終又回落到超疏水表面。

    電場(chǎng)下的水滴不僅彈跳頻率大幅上升，而且具有較大水平彈跳速度，使其易于脫離超疏水表面，因此超疏水表面的水滴覆蓋率無(wú)明顯增大，具有良好的去露效果。文獻(xiàn)[64]研究表明，電場(chǎng)中的水滴會(huì)引起周圍電場(chǎng)畸變，水滴與空氣接觸面處的場(chǎng)強(qiáng)顯著增強(qiáng)并產(chǎn)生輕微的電暈放電，使得電場(chǎng)中的水滴積累凈電荷，在外加電場(chǎng)力的作用下其水平方向上的速度迅速增加，并沿平行于電場(chǎng)方向脫離超疏水表面。

    同時(shí)，超疏水表面的微納結(jié)構(gòu)及其低表面能可以減小水滴與表面的附著力，也促使水滴容易脫離超疏水表面。此外，對(duì)切向電場(chǎng)下超疏水表面的自清潔性能研究發(fā)現(xiàn)，在電場(chǎng)力的驅(qū)動(dòng)下，液滴在運(yùn)動(dòng)中可以粘附污穢顆粒并帶著污穢脫離超疏水表面，留下干凈的運(yùn)動(dòng)軌跡，表明電力設(shè)備運(yùn)行過(guò)程中超疏水表面防污的可行性。

    通過(guò)人工積污試驗(yàn)對(duì)電場(chǎng)下超疏水表面的防污性能進(jìn)行研究，圖12所示為超疏水涂層、RTV涂層及無(wú)涂層玻璃絕緣子的表面污穢沉積狀態(tài)。超疏水涂層表面的水滴在重力和沿面電場(chǎng)的雙重作用下滑落絕緣子表面，帶走大部分積污過(guò)程中吸附在絕緣子表面的鹽、灰等污穢物，積污結(jié)束后可以發(fā)現(xiàn)其表面殘留有大部分稀疏分布的小水滴和少部分干燥鹽灰粉末；RTV涂層表面具有良好的憎水性，由于傘裙邊緣弧度較陡，水滴容易滾落帶走表面污穢物，但鋼帽處弧度較為平緩，此處水滴難以滾落；無(wú)涂層玻璃絕緣子表面受其親水性影響，積污過(guò)程中基本沒(méi)有明顯的水滴滾落現(xiàn)象，沉降在玻璃表面的鹽灰大部分停留在絕緣子表面，干燥后表面呈現(xiàn)大塊不規(guī)則的污斑，清潔度最差?？梢?jiàn)超疏水與RTV涂層都有一定的防污效果。

    收集三種表面的污穢并稱重，其鹽密和灰密值見(jiàn)表10，超疏水表面沉積的鹽密、灰密值均小于RTV和裸玻璃絕緣子表面，超疏水涂層的超疏水性使得污穢易于滑落超疏水表面，可有效阻礙污穢在絕緣子表面的沉積。

    圖12 絕緣子表面污穢沉積狀態(tài)

 

    表10 絕緣子表面附著鹽密、灰密值

 

    積污后超疏水、RTV、裸玻璃絕緣子的污閃電壓見(jiàn)表11。超疏水、RTV絕緣子的污閃電壓遠(yuǎn)高于無(wú)涂層玻璃絕緣子串的污閃電壓，且超疏水絕緣子串的污閃電壓為三者最高，達(dá)到30.8kV，為RTV絕緣子污閃電壓的1.42倍，裸玻璃絕緣子污閃電壓的2.97倍，具有良好的防污閃性能。這是由于超疏水表面優(yōu)異的疏水性能一方面顯著降低了絕緣子表面的污穢沉積，另一方面使水滴僅能在絕緣子表面稀疏分布，保留了充分的干帶區(qū)域，使得絕緣子表面的局部電弧難以向前發(fā)展，從而實(shí)現(xiàn)了絕緣子污閃電壓的提高。研究表明，超疏水絕緣子的污閃電壓隨污穢程度加重而逐漸降低。

    表11 積污絕緣子（LXP-70）的污閃電壓

 

    3.3  超疏水涂層的防腐蝕應(yīng)用研究

    涂覆超疏水涂層可以隔絕表面與腐蝕介質(zhì)的直接接觸，有效防止導(dǎo)線和絕緣子的氧化，進(jìn)而起到防腐蝕的目的[65]。

    電流密度降低和腐蝕電位正移代表樣品具有優(yōu)異的耐腐蝕性能。文獻(xiàn)[66]通過(guò)旋涂法制備了接觸角為163°的超疏水涂層，其腐蝕電流密度降低約3個(gè)數(shù)量級(jí)，說(shuō)明腐蝕性離子很難與基底發(fā)生電化學(xué)作用，這種超疏水性涂層對(duì)基底起到良好的防護(hù)作用。

    文獻(xiàn)[67]通過(guò)次氯酸鈉的強(qiáng)氧化性在金屬鋁表面制備得到氧化鋁微納米結(jié)構(gòu)，再進(jìn)一步采用十六烷基三甲氧基硅烷進(jìn)行表面疏水化處理獲得超疏水表面，圖13[67]顯示了超疏水表面的動(dòng)電位電極化曲線圖及其對(duì)應(yīng)的腐蝕電位和腐蝕電流密度。

    從圖中可知，對(duì)于未經(jīng)過(guò)疏水化處理的金屬鋁和次氯酸鈉氧化的金屬鋁（質(zhì)量百分?jǐn)?shù)為3.0%，處理時(shí)間15min）兩種樣品，腐蝕電流密度分別為1 364.5nA/cm2和1 173.2nA/cm2，腐蝕電位分別為-1 207.6mV和-1 128.2mV，兩者相差不大。但對(duì)樣品進(jìn)行疏水化處理之后獲得的超疏水樣品的電流密度減小至294.7nA/cm2，腐蝕電位正向移動(dòng)至-795.8mV，氧化鋁超疏水樣品具有很好的抗腐蝕性能。超疏水樣品抗腐蝕性原理在于：樣品的超疏水表面在固液面之間引入一層空氣層，由于這層空氣層的存在阻礙了腐蝕介質(zhì)（如Cl-，O2等）與基體表面的直接接觸，從而達(dá)到耐腐蝕的效果[68,69]。

    圖13 不同樣品的動(dòng)電位電極化曲線圖及其對(duì)應(yīng)的腐蝕電位和腐蝕電流密度

 

    4  結(jié)論

    本文綜述了由有機(jī)氟、有機(jī)硅、烷烴及烯烴化合物三類涂料制備的超疏水涂層的基本性能及其防覆冰、防污性能，著重介紹了超疏水涂層在電氣領(lǐng)域的應(yīng)用研究現(xiàn)狀。超疏水絕緣涂層雖不能完全防止覆冰的形成，但可以有效降低涂層表面的附著力，在一定程度上達(dá)到防覆冰與防污的目的。

    目前超疏水涂層的制備方法多樣，雖然制備出許多性能優(yōu)異的超疏水表面，但是仍缺乏低成本、快速地在大面積、復(fù)雜形狀基底上制備長(zhǎng)效、耐磨超疏水涂層的方法，這使得這種表面在實(shí)際應(yīng)用中受到限制。

    隨著覆冰時(shí)間的延長(zhǎng)，超疏水表面因微結(jié)構(gòu)間隙中發(fā)生冷凝而喪失一定的疏水性，防冰效果減弱，因此，通過(guò)構(gòu)建尺寸更小的納米微結(jié)構(gòu)或具有自我修復(fù)能力的超疏水涂層，對(duì)表面進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，從而獲得性能持久優(yōu)異的超疏水表面是當(dāng)前研究的一大熱點(diǎn)。

    此外，目前對(duì)超疏水涂層在電力能源領(lǐng)域的應(yīng)用研究主要集中在防覆冰方面，對(duì)超疏水涂層的防污性能研究較少，因此，超疏水表面的防污機(jī)理等有待深入研究。

 

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責(zé)任編輯：王元

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