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超疏水絕緣涂層制備與防冰、防污研究現狀

2017-10-12 10:17:45 作者：本網整理來源：電工技術學報分享至：

輸配電裝備及系統安全與新技術國家重點實驗室（重慶大學）的研究人員李劍、王湘雯、黃正勇、趙學童、王飛鵬，在2017年第16期《電工技術學報》上撰文指出，輸電線路的覆冰災害是電力系統最嚴重的威脅之一。超疏水絕緣涂層具有強憎水性和低表面能，因而具有提高輸電線路防覆冰與防污性能的潛力。對超疏水絕緣涂層的制備方法及其在電力系統中的應用研究現狀進行概述，介紹超疏水絕緣涂層的電絕緣性、化學穩定性、機械穩定性等基本性能，對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理。此外，對超疏水絕緣涂層在耐腐蝕等領域的應用研究現狀也進行了介紹。提出在未來輸電線路超疏水絕緣涂層的研究中，應重點關注制備方法的經濟性、涂層表面的長效性以及防污閃機理等方面的關鍵問題，提升涂層的綜合性能。

為應對電力能源地理分布不平衡問題，我國提出了西電東送、南北互供、超級電網[1]以及全球能源互聯網[2]發展戰略。全球能源互聯網[1]由跨洲、跨國骨干網架和各國各電壓等級電網（輸電網、配電網）構成，連接“一極一道”（北極、赤道）大型能源基地，實現電能長距離輸送和優化配置。因此，遠距離、大容量的超、特高壓輸電線路必然要經過高海拔、重覆冰、重污染地區。

我國輸電線路一直遭受著嚴重的覆冰危害。2008年1月，我國南方地區的大范圍冰凍雨雪災害對電力運行造成災難性影響，湖南、湖北、江西、安徽、貴州等省線路覆冰厚度超過30mm，超過輸電線路所能承受極限，造成絕緣子閃絡、輸電線路跳閘、導線斷線及桿塔倒塌等嚴重事故，電網結構遭到嚴重破壞。

此次災害致使我國13個省（區）的電力系統運行受到影響，全國范圍內36740條10kV及以上電力線路、1743座變電站停運，高壓線路桿塔倒塌17.2萬基，導致3348萬戶、1億多人口停電，直接經濟損失超過（人民幣）1000億元，而造成的間接經濟損失以及社會影響更是難以估計[3,4]。

輸電線路的覆冰災害是電力系統最嚴重的威脅之一，與其他類型的電網事故相比，冰災事故給電網造成的損失更為嚴重。

一方面，冰雪的堆積改變了絕緣子的外形結構，特別是冰凌的產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生變化，同時，冰雪在泄漏電流產生的焦耳熱作用下融化，使絕緣子表面污穢濕潤，導致絕緣子表面電阻降低，從而降低了絕緣子的閃絡電壓。

另一方面，線路覆冰增大了導線重量，桿塔受到導線的張力不平衡，導致導線舞動、斷線、倒塔（桿）、甚至導致電網癱瘓等事故。此外，發生冰災時，惡劣的氣候條件使受災輸電線路的搶修非常困難，導致電網停電時間長，從而造成巨大的經濟損失[5,6]。

近年來，受全球氣候變暖影響，極端天氣頻繁出現，冰災事故發生概率有所上升，冰災對電網安全的影響更加顯著，因此，研究輸電線路防覆冰技術具有重大意義。

目前，防冰除冰方法主要有機械除冰法[6]、熱力防冰法[7]、被動防冰法[8]、涂料防冰法[9]等。涂料防冰法也是一種被動防冰方法，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]，主要通過調整覆冰過程中涂層的溫度達到防覆冰目的，但在不覆冰時涂層中仍有泄漏電流通過，因此不僅會增加線路損耗，其熱效應也會加速涂料老化；另一種是憎水性防冰涂料[12]，通過改變過冷卻水滴或覆冰與涂層表面的相互作用力達到防冰目的。

目前，電力系統應用較多的憎水性涂料主要是有機硅涂料，如硅油、硅脂、長效硅脂、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，輸電線路還經常遭受工業污穢或自然界鹽堿、灰塵、鳥糞等污染，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，大霧籠罩我國北方地區，造成了覆蓋遼寧中部、河北南北部、京津唐電網等地區的大面積污閃停電事故，遼寧電網500kV與220kV輸電線路共跳閘168條次，豫西、豫北電網500kV和220kV線路共跳閘155條次，僅遼寧省電量損失就高達9 370MW·h。

2005年1月廣東電網發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南部環網解環運行。2011年初，新疆電網遭受連續大霧天氣侵襲，9座110～220kV變電站的母線失電壓停電，導致新疆電網解裂[15,16]。

絕緣子表面污穢閃絡主要經歷積污、污穢的濕潤，干燥帶的形成及局部電弧的產生，局部電弧發展至完全閃絡四個階段[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，形成大片的連續性水膜，并充分溶解污穢中的電解質成分，在外加電壓作用下其表面電導和泄漏電流顯著增加，在絕緣子表面形成導電通路，使污穢絕緣子表面電氣性能降低，在正常運行電壓下就可能發生絕緣子沿面閃絡。

據統計，目前由于污穢而引起的絕緣子閃絡事故在電網總事故中位居第二，僅次于雷擊事故。由于污閃事故發生區域廣、停電時間長、重合閘成功率低，將帶來巨大的經濟損失和社會影響[14,18-20]，目前我國污閃事故造成的損失是雷擊事故的十倍以上。

近年來電力系統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、半導體釉絕緣子、復合絕緣子、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重要技術措施。RTV具有優異的憎水性和憎水遷移性，當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，RTV涂料還具有憎水恢復性，表面電弧或長時間水浸等因素導致涂層表面憎水性暫時減弱或喪失時，當電弧或水浸等因素消除后，經過一段時間其表面的憎水性可恢復，具有長時效、少維護、施涂工藝簡單、低成本、高可靠性等優點。

但是大量應用實踐表明，有機硅化合物涂料的接觸角一般不超過120°，在覆冰初期具有一定延緩覆冰的作用，但不能在嚴重覆冰過程中發揮防冰效果，且RTV的憎水性導致絕緣子上覆冰層內部形成高場強的“空腔”，使絕緣子表面更易產生局部放電并燒傷涂層，冰閃電壓降低約7%～15%[23]。

近年來，仿荷葉超疏水涂層受到學者和工程技術界的廣泛關注。荷葉表面由于具有極強的疏水性，水滴和灰塵受到荷葉表面很小的粘附力，因此水滴在滾動時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。過冷卻水滴落在超疏水涂層表面上時，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，在導線和絕緣子表面涂覆超疏水涂料可以明顯降低冰、雪在導線或絕緣子上的附著力，延緩表面覆冰增長，有助于提高輸電線路的防覆冰與防污能力[24]。

本文對超疏水絕緣涂層在延緩絕緣子覆冰方面的機理進行了簡述，就當前國內外超疏水涂層的制備方法及其電絕緣性、化學穩定性、機械穩定性等基本性能進行了介紹，概述了超疏水涂層在電力系統中的防覆冰與防污應用研究現狀。

1 超疏水涂層的基本原理

1.1 超疏水涂層潤濕性理論（略）

浸潤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，接觸角和滾動角是衡量表面浸潤性的重要因素。超疏水表面的接觸角大于150°，滾動角小于5°，具有低表面能和強憎水性的特點，其疏水性能取決于其表面化學結構和表面粗糙度。

圖1 粗糙表面的水滴潤濕模型示意圖

仿荷葉超疏水涂層表面具有微納二元復合粗糙結構，即表面分布有大量微米級的突起，而微米尺度突起上又分布大量納米尺度的突起。這種復合結構可以使水滴不會浸潤突起間的縫隙，使得尺寸遠大于這種結構的水滴只能隔著空氣在突起上形成點接觸，在這種狀態下，水滴具有很大的接觸角和較小的滾動角，有利于過冷卻水滴迅速從涂層表面滾落[25,26]。

構造超疏水涂層表面不僅需要形成二元微納復合粗糙結構，還需要采用低表面能物質，當低表面能物質的表面張力小于水的表面張力時，水滴接近球形，過冷卻水滴落在超疏水涂層上時，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、防污機理

超疏水涂層防冰、防污技術的關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有機會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合成分（即氧原子）的表面，低附著力表面應具有將氧原子隔開的惰性原子或原子團。因此，防冰、防污涂料主要是含有碳氫化合物-CH2-或-CH3-、碳氟化合物-CF2-或-CF3-等低表面能基團的聚合物[30]。

超疏水絕緣涂料主要有三類[24]：第一類是有機氟、有機硅、烷烴及烯烴等化合物；第二類是有機氟、有機硅、烷烴及烯烴化合物跟其他有機物的共混體系，如丙烯酸-有機硅共混體系、環氧樹脂-有機硅共混體系；第三類是有機氟、有機硅、烷烴及烯烴化合物跟其他帶活性基團的有機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。

有機氟聚合物中，氟原子具有很強的電負性，增強了與碳原子的排斥力，同時，由于氟原子間的作用力很小，使其向外層遷移并在表層產生聚集效應，從而降低材料的表面能，所以有機氟聚合物難以被液體完全浸潤或附著，且其修飾的表面有著很強的抗附著性和耐污染性。有機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。

有機硅聚合物結構中既含有機基團，又有無機結構，表現出良好的疏水性能[31]，并且具有高度支鏈結構，分子鏈柔順性良好，易于轉變成表面能較低的結構，表面能比有機氟聚合物略高，但有機氟聚合物的成本價格卻遠高于有機硅聚合物[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

固體表面的浸潤性是由表面化學組成和表面粗糙度共同決定的，因此，超疏水表面可以通過兩種方法來制備，即在表面有效構建二元微納粗糙結構以及在粗糙表面上通過化學、物理方法修飾低表面能物質。

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[45]、溶膠凝膠法[46]等，見表1[27]。

表1 超疏水涂層的制備方法

2.1.1 有機硅聚合物超疏水涂層的制備及性能

有機硅聚合物具有耐臭氧性、耐高低溫、低潤濕性、低表面能、優良的電絕緣性、耐化學腐蝕性與耐候性等優點，受到國內外學者的廣泛研究，主要集中在含有疏水基團的硅烷單體，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]。但有機硅聚合物也存在一些缺點，如長效性差，通常需要使用填料進行改性，使其更適合應用需要。

文獻[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合涂層。研究發現，當正硅酸乙酯和乙烯基三乙氧基硅烷的用量介于88%～95%之間，縮合時間超過5h，二氧化硅的接枝率提高，制備的涂層與水的靜態接觸角達到170°，滾動角小于1°，且涂層的疏水性能隨著固化溫度的升高而增加。

文獻[36]利用激光刻蝕技術得到了微納米復合結構的PDMS超疏水薄膜，與單純的微米或納米結構的PDMS（接觸角為105°）表面相比，具有更高的接觸角和較低的滾動角，并且可以通過改變微米結構的尺寸來調控薄膜表面的接觸角和滾動角的大小。

重慶大學參照RTV涂料的材料特點和制備方法，制備出低表面能超疏水涂料。通過自組裝法實現微納雙重粗糙結構，并在納米二氧化硅自組裝體與基體之間引入PDMS過渡層，制備出無固化龜裂的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化為復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腐蝕性能[38,39]。文獻[40]進一步采用移動噴涂法控制噴涂氣壓和噴涂距離，調節涂層表面和內部的有機硅和微納米硅橡膠填料的結構分布，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，涂層具有良好的機械耐磨性能。

2.1.2 有機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。由于環保要求，水性化含氟聚合物（如有機氟乳液、有機氟分散體）成為研究熱點。

文獻[35]采用沉積法，以PVDF為原料，用高能氧等離子對其進行轟擊使PVDF具有活性基團，得到超疏水PVDF薄膜，表面接觸角為156.6°，滾動角僅為4°，具有良好的超疏水性和化學穩定性。

文獻[37]采用等離子體刻蝕技術，利用PTFE對聚丙烯酸膜進行處理，通過調節工藝條件等使其表面產生一定的表面粗糙度，所制備超疏水表面接觸角高達172°。文獻[41]以PTFE/聚苯硫醚為原料，采用噴涂法制備了超疏水涂層，發現PTFE含量為4%時，涂料的靜態接觸角達158°，加入納米二氧化硅后涂層的靜態接觸角進一步增加，達到164°，具有良好的超疏水性，同時涂層與基底的附著力也得到了提高。

文獻[33]將甲苯溶劑升溫后加入單體和引發劑，反應得到含氟丙烯酸樹脂聚合物，加入氣相二氧化硅制備超疏水涂層。研究發現，含氟樹脂的疏水性能隨著含氟單體用量的增加而增加，當含氟單體的用量為5%，納米二氧化硅與氟改性丙烯酸樹脂比例為1∶1時，得到的涂層與水的靜態接觸角可達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接觸角的影響。由于C-F鍵極短且鍵能很高，含氟丙烯酸樹脂中的全氟基團位于聚合物的側鏈上，在成膜過程中，全氟烷基富集到聚合物與空氣的界面，對主鏈及內部分子形成保護。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、良好的機械強度與電絕緣性等特點，其分子鏈中不含極性基團，且具有一定的結晶性，因此具有良好的疏水性。

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

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

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

圖3 不同砂紙模板對烯烴化合物表面接觸角的影響

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

表3 烷基表面修飾對膜層疏水性能的影響

2.2 超疏水涂層的基本性能

輸電線路長期運行于高電壓、強電場、酸雨等嚴酷環境中，要求超疏水絕緣涂料具有基本電絕緣性能與機械強度，并能夠長期保持疏水特性。

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合粗糙結構，使得產生表面電導電流的電子在涂層表面的實際運動路徑增長，而且在相同環境中，超疏水表面具有低潤濕性，其吸附的水分含量遠低于普通表面吸附的水分，涂層大部分仍處于干燥狀態，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，符合電力設備外絕緣對表面電阻率的要求。

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硅橡膠涂層和無涂層的單片FC-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涂層的單片絕緣子的干閃電壓；對于濕閃電壓，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異的電絕緣性能。

表4 不同涂層單片FC-100/146玻璃絕緣子干/濕閃電壓

2.2.2 超疏水涂層的化學穩定性

超疏水表面含有的碳氫化合物-CH2-或-CH3-基團、碳氟化合物-CF2-或-CF3-基團等能夠把主鏈及內部分子包住而形成保護，具有良好的化學穩定性。同時，當酸性或堿性液滴撞擊到超疏水涂層時，液滴能快速脫離表面，與表面的接觸時間較短，因而能在一定程度上延緩腐蝕。

然而，目前的研究結果表明，疏水化處理的表面持久性能不好，這是因為疏水劑分子主要是以物理吸附存在于薄膜表面，未能形成化學鍵合，隨著時間的推移，環境中的塵土以及靜電的作用使疏水劑分子開始解吸，造成疏水性能降低。當疏水性能退化到一定程度后，疏水官能團與表面形成吸附平衡，疏水性能趨于穩定[49]。

文獻[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修飾，超疏水表面由頂部凹陷的硅納米線和底部微米柱結構構成，可以長期保持疏水性能。

文獻[50]以有機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試劑中的滾動角，結果顯示，在弱酸及有機溶劑環境中，超疏水表面的滾動角變化不大，均小于10°，具有一定的耐化學腐蝕性。

表5 超疏水表面在不同化學環境中的滾動角

文獻[24]在納米二氧化硅自組裝體與基體之間引入PDMS過渡層，PDMS具有較強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度和穩定性。在室內存儲5個月的過程中，超疏水表面靜態接觸角始終保持在150°以上，說明超疏水涂層具有良好的疏水穩定性。

同時，對涂層進行酸堿耐受性實驗發現，水滴pH值由1變化到14的過程中，表面接觸角始終大于150°，滾動角保持較小數值，該超疏水表面具有耐強酸強堿性。這是由于酸性或堿性的水滴與PDMS超疏水涂層接觸時，首先接觸的是PDMS分子，其鏈上的Si-O-Si鍵被周圍的-CH3基團所保護，使PDMS分子不會被酸性或堿性物質腐蝕，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 超疏水涂層的力學性能

許多超疏水表面力學性能較差，主要歸因于兩方面：首先，超疏水表面上的微、納米粗糙結構通常比較脆弱，容易因沖擊、摩擦等機械作用而損壞，降低其表面粗糙度，從而減弱了表面的疏水性能；其次，表面磨損等會造成低表面能物質的損耗，表面化學組成的改變將導致疏水性能下降[51]。

文獻[52]表明，具有微納二元結構的超疏水表面耐磨性能要好于單純由納米或微米結構組成的超疏水表面。表6列出了不同超疏水表面的磨損情況。微納二元復合結構在磨損過程中，微米結構頂端的納米結構受磨損被破壞，而下層未受磨損的納米結構使表面依然保持超疏水性，滾動角略有所增加，但遠小于單純納米或微米結構的超疏水表面。

表6 幾種超疏水表面的磨損試驗

文獻[53]采用層層自組裝法，將兩層聚電解質粘結劑、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摩擦和砂紙摩擦的方法測試涂層的疏水穩定性，經過10mN的微觀尺度磨損和10mN的宏觀機械磨損后，仍難以在超疏水涂層表面觀察到磨損的痕跡，涂層繼續保持良好的超疏水性能。硬質二氧化硅顆粒和各層間的靜電作用起到了提高涂層機械耐磨性能的效果。

文獻[54]以納米二氧化硅粒子為填料、環氧樹脂為粘合劑，采用噴涂法制備出表面具有微納粗糙結構的耐磨超疏水涂層。采用漆膜劃格試驗對超疏水涂層的附著力進行測試，結果表明劃格后涂層表面未出現脫落現象。超疏水涂層表面包裹的環氧樹脂具有一定的彈性，在磨損過程中以壓縮變形的方式防止了表面破壞的發生，且磨損結束后形變的彈性體微結構恢復原有的表面結構，使得超疏水涂層具有優異的力學性能。

因此，目前提高超疏水涂層力學性能的方法主要有三種：一是構建二元微納粗糙結構，利用微納復合結構的穩定性實現長效超疏水效果；二是采用具有良好力學性能的材料，增強超疏水涂層的機械耐磨性能；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域的應用

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

3.1 超疏水涂層的防冰應用

將超疏水涂料涂于輸電導線、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，達到防覆冰的目的[55]。超疏水涂層的接觸角越大、滾動角越小，過冷卻水結冰時間越長，覆冰粘接強度越低，防覆冰效果越明顯[12]。

過冷卻水滴捕獲率與覆冰粘接強度是表征超疏水表面覆冰特性的兩個重要參量。文獻[56]對超疏水涂層覆冰過程中過冷卻水滴捕獲率進行了研究。圖5為超疏水涂層的過冷卻水滴捕獲率隨覆冰時間的變化規律。可以看出，超疏水表面的過冷卻水捕獲率始終小于RTV和無涂層玻璃板，且隨覆冰時間呈“緩慢增大—快速增大—趨于穩定”的增長趨勢，表明隨著覆冰時間的延長，超疏水涂層的防冰效果會降低。

這是由于覆冰初期過冷卻水滴能夠迅速滾離表面，但隨時間延長，超疏水涂層上生長的冰滴會粘附滾動的過冷卻水滴，過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的方向與過冷卻水滴的滾動趨勢相反，gs與過冷卻水滴的滾動趨勢相同，過冷卻水滴必須滿足gs＞Fw+Fs才能滾離超疏水表面，導致過冷卻水滴捕獲率呈現較大幅度的上升。

隨著冰滴的增多，過冷卻水滴在超疏水表面的受力如圖6b所示，過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，Fw1與過冷卻水滴的滾動趨勢相反，Fw2和gs與過冷卻水滴的滾動趨勢相同，過冷卻水滴相對易于沿著冰滴表面向下運動，從而削弱超疏水表面的過冷卻水滴捕獲率的增長趨勢。

圖5 三種試品覆冰持續時間與過冷卻水滴捕獲率關系

圖6 不同覆冰進程的過冷卻水滴受力分析

超疏水涂層的覆冰粘接強度隨疏水性的增大而逐漸減小。表7對比了三種表面的覆冰粘接強度[24]，超疏水涂層的覆冰垂直粘接強度和剪切粘接強度最小，這是因為一方面超疏水涂層的低表面能減小了冰與涂層的作用力，另一方面，涂層的粗糙結構在冰和涂層間引入空氣，減小冰對涂層的附著力，見表8，涂層超疏水性的增加可以大大降低冰對涂層的附著力[33]，從而具有防覆冰特性。

表7 三種表面覆冰粘接強度

表8 涂層表面疏水性對冰的附著力的影響

雨淞條件下絕緣子覆冰是危害最為嚴重的情況，極易造成絕緣子閃絡[57]。通過人工氣候實驗室覆冰實驗對雨淞條件下超疏水涂層防覆冰性能的研究發現，超疏水涂層在覆冰初期可以阻止連續水膜的形成，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的水膜，沒有穩定的放電路徑，且不易發生冰棱橋接，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，在湖南省雪峰山對超疏水玻璃絕緣子進行自然覆冰過程研究[24]。研究發現，覆冰初期，整個超疏水玻璃絕緣子串上幾乎沒有覆冰，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面只粘附極少量肉眼可見的圓球狀水滴。

覆冰開始18h后，超疏水玻璃絕緣子串和無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呈分立狀態，絕緣子表面存在很多球狀冰滴，未形成連續冰膜，并且表面上的冰層在風力作用下容易剝落。而無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，由于風的存在以及空氣濕度大的原因，導致雨淞表面形成霧凇，覆冰透明而且牢固。此外，在融冰過程中，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。而無涂層玻璃絕緣子上的覆冰依然牢固，無任何脫落跡象。超疏水玻璃絕緣子可以防止表面在融冰過程中形成連續性導電水膜，同時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程中保持較高的融冰閃絡電壓。

3.2 超疏水涂層的防污應用研究

輸電線路發生污穢閃絡必須滿足電壓作用、表面積污和表面濕潤三個必要條件。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濕程度，保留充分的干帶區域，使得絕緣子表面的局部電弧難以向前發展；另一方面，超疏水表面的水滴滾落或去露過程有機會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用潛力。

超疏水表面的微液滴合并自彈跳現象如圖8[61]所示，此現象有助于涂層低溫下抗凝露。液滴在自發合并彈跳過程中，高表面能的微液滴合并時，微液滴將高表面能轉化為合并后液滴的動能，克服其與涂層之間的粘附力和重力，自發彈離超疏水涂層表面[59]。相對于超疏水表面的納米結構，微納米復合結構組成的超疏水表面的液滴融合自反彈數、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[60]通過分子模擬法研究了超疏水表面的納米液滴自彈跳行為，結果表明，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，這是因為納米液滴比表面積非常大，融合時比表面積轉化的動能也大。

文獻[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。

圖9 涂層的自清潔效果

圖10 不同樣品自清潔效果

文獻[39]對超疏水表面水滴彈跳過程進行了研究，如圖11a所示。當液滴落在超疏水表面后立即發生彈跳，并分裂為主液滴和衛星液滴，主液滴經過多次彈跳后離開超疏水表面，最終粘附在裸銅表面（虛線外區域），超疏水表面為干燥態，裸銅表面為潤濕態。

同時，對銅電極表面超疏水涂層的自清潔性能進行了研究，如圖11b所示，液滴每次降落在超疏水表面時都會粘附部分炭黑粒子并脫離超疏水表面，經過10滴水的沖洗后，表面的大部分炭黑粒子已被清除，實現了表面自清潔，而裸銅表面仍有液滴附著，說明液滴在超疏水表面的彈跳過程具有去污效果。

圖11 銅電極超疏水表面水滴

文獻[63]對超疏水涂層在電場下的水滴彈跳現象進行了研究。在切向交流電場下，水滴最初在超疏水表面沿水平方向小幅振動，隨時間增長，水滴在垂直方向上的彈跳距離逐漸增大，且開始在超疏水表面沿水平方向彈跳，最終水滴在連續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動距離很小，連續彈跳后水滴最終又回落到超疏水表面。

電場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明顯增大，具有良好的去露效果。文獻[64]研究表明，電場中的水滴會引起周圍電場畸變，水滴與空氣接觸面處的場強顯著增強并產生輕微的電暈放電，使得電場中的水滴積累凈電荷，在外加電場力的作用下其水平方向上的速度迅速增加，并沿平行于電場方向脫離超疏水表面。

同時，超疏水表面的微納結構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，對切向電場下超疏水表面的自清潔性能研究發現，在電場力的驅動下，液滴在運動中可以粘附污穢顆粒并帶著污穢脫離超疏水表面，留下干凈的運動軌跡，表明電力設備運行過程中超疏水表面防污的可行性。

通過人工積污試驗對電場下超疏水表面的防污性能進行研究，圖12所示為超疏水涂層、RTV涂層及無涂層玻璃絕緣子的表面污穢沉積狀態。超疏水涂層表面的水滴在重力和沿面電場的雙重作用下滑落絕緣子表面，帶走大部分積污過程中吸附在絕緣子表面的鹽、灰等污穢物，積污結束后可以發現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；無涂層玻璃絕緣子表面受其親水性影響，積污過程中基本沒有明顯的水滴滾落現象，沉降在玻璃表面的鹽灰大部分停留在絕緣子表面，干燥后表面呈現大塊不規則的污斑，清潔度最差。可見超疏水與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

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表11。超疏水、RTV絕緣子的污閃電壓遠高于無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域，使得絕緣子表面的局部電弧難以向前發展，從而實現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用研究

涂覆超疏水涂層可以隔絕表面與腐蝕介質的直接接觸，有效防止導線和絕緣子的氧化，進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異的耐腐蝕性能。文獻[66]通過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個數量級，說明腐蝕性離子很難與基底發生電化學作用，這種超疏水性涂層對基底起到良好的防護作用。

文獻[67]通過次氯酸鈉的強氧化性在金屬鋁表面制備得到氧化鋁微納米結構，再進一步采用十六烷基三甲氧基硅烷進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電位電極化曲線圖及其對應的腐蝕電位和腐蝕電流密度。

從圖中可知，對于未經過疏水化處理的金屬鋁和次氯酸鈉氧化的金屬鋁（質量百分數為3.0%，處理時間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。但對樣品進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（如Cl-，O2等）與基體表面的直接接觸，從而達到耐腐蝕的效果[68,69]。

圖13 不同樣品的動電位電極化曲線圖及其對應的腐蝕電位和腐蝕電流密度