输电线路玻璃绝缘子微纳米防冰表面材料的制备与性能研究

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1、输电线路玻璃绝缘子微纳米防冰表面材料的制备与性能研究重庆大学博士学位论文学生姓名：郭超指导教师：廖瑞金教授专业：电气工程学科门类：工学重庆大学电气工程学院二O一五年四月ResearchonPreparationandPerformancesofMicro-nanoAnti-icingSurfaceMaterialsforTransmissionLineInsulatorsAThesisSubmittedtoChongqingUniversityinPartialFulfillmentoftheRequirementforth

2、eDoctor’sDegreeofEngineeringByGuoChaoSupervisedbyProf.LiaoRuijinSpecialty：ElectricalEngineeringCollegeofElectricalEngineeringofChongqingUniversity,Chongqing,ChinaApril,2015中文摘要摘要输电线路绝缘子起着输电导线对地绝缘的重要作用，覆冰的发生将降低绝缘子的绝缘强度，可能导致覆冰闪络事故的发生，严重时引起线路跳闸、设备损坏甚至大面积停电等事故，给国民经济以及社

3、会生活带来严重危害，因此输电线路绝缘子的防冰方法研究具有重要的工程价值。探索水在固体表面的结晶过程与结晶抑制机理是当前研究的热点与难点，课题具有重要的学术价值。本文以荷叶效应为出发点，首先验证了天然超疏水材料的代表荷叶的防冰性能；然后根据荷叶的表面物理形貌与化学成分，采用纳米粒子填充法与磁控溅射法制备超疏水微纳米表面材料，研究其超疏水性能、防冰性能与电气性能；最后分析低温下动态与静态水滴在超疏水表面的行为，探索超疏水表面防冰的机理。本文取得的主要创新成果为：①在人工气候室中验证了荷叶的防雨凇覆冰能力，发现荷叶大部分区域保持无

4、覆冰状态，说明一定条件下超疏水表面具有延缓与防止雨凇覆冰的能力。结合Cassie模型对荷叶的防冰机制进行初探，发现荷叶的微纳二元粗糙形貌与低表面能可以降低水滴与表面的真实固液接触面积与粘附力，使其能很容易地从荷叶表面脱离，从而减少荷叶表面的覆冰。②成功研制了一种纳米粒子填充法制备的玻璃绝缘子微纳米防冰表面材料，获得了具有低表面能的基团结构，具有一定的防冰性能。通过调控纳米粒子含量、种类与级配以获得较优的表面形貌与疏水性能，最终采用氟硅树脂、环氧树脂与纳米二氧化硅粒子并结合喷涂法制备表面材料，在纳米粒子含量为40%时疏水性能最

5、优，静态角与滚动角分别为163.1°和4.1°，并具有较好的疏水稳定性。该表面材料具有微米级巢孔和纳米级突起组成的蜂巢状形貌，表面含有甲基、亚甲基与碳氟基团而具有低表面能。该表面材料能延迟表面结霜，延缓绝缘子表面的雨凇覆冰与形成完整冰层，缩短绝缘子冰棱长度，提高冰闪电压并降低覆冰粘结强度。③成功研制了一种射频磁控溅射法制备的纳米级超疏水防冰表面材料，获得了具有低表面能的长链烷烃微观结构，具有较好的防冰性能。通过磁控溅射镀膜、热氧化与低表面能处理进行材料制备，取得优化参数时其静态接触角为165.6°，滚动角小于1°。该表面材料

6、由棒状的纳米级突起组成，表面含有长链烷烃结构而具有低表面能。该表面材料能显著延缓结霜，在-5℃的环境中雨凇覆冰90分钟后，表面仍然有70.4%的面积保持无覆冰状态，防冰效果优于纳米粒子填充法超疏水表面材料。④深入研究了低温下超疏水表面动态水滴碰撞与静态水滴结冰过程，结合理I重庆大学博士学位论文论分析，从三个层面得到了超疏水表面防止雨凇覆冰的机理。首先，水滴撞击到超疏水表面时，超疏水表面的粗糙结构与低表面能导致水滴与表面的粘性耗散较小，水滴与表面接触较短时间后从表面弹走；其次，根据傅里叶传热理论，由于真实固液接触面积较小，水滴

7、与表面的热量传递速率较低，水滴过冷却度低而不容易结冰；最后，根据均相成核与异相成核理论，由于超疏水表面的低表面能与较小的突起尺寸，使得表面水滴的异相成核能垒较高，成核速率较低而延缓与防止表面的结冰。关键词：超疏水，绝缘子，防冰，磁控溅射，异相成核II英文摘要ABSTRACTThetransmissionlineinsulatorsplayavitalroleastheinsulationagainstgroundfortransmissionconductor.Theicingreducesthedielectricstre

8、ngthoftheinsulatorswhichmaypossiblycauseicingflashoveraccidents.Seriousicingflashoveraccidentscouldleadtolinetrip,equipmentdamageorevenblackoutso