上海充通大 SHANGHAI JIAO TONG UNIVERSITY ANGHAI JIAO TONG UNIVERSIT 论文题目：纳米技术在输电线路防冰除冰中 的应用 学生姓名：方文婕 学生学号：5131209072 所在院系：安泰经济与管理学院 所在班级：F1312004 指导教师：程先华
SHANGHAI JIAO TONG UNIVERSITY 论文题目：纳米技术在输电线路防冰除冰中 的应用 学生姓名: 方文婕 学生学号: 5131209072 所在院系: 安泰经济与管理学院 所在班级: F1312004 指导教师: 程先华
摘要 由于输电导线覆冰严重影响着电力系统的安全可靠运行，开展防覆冰技术研究已成为一 个重要而紧迫的课题，对提高电力系统的安全运行具有非常重要的价值。而目前已有的防冰 除冰方法有诸多缺点，只能作为输电导线防覆冰的应急预案，因此本文提出通过将电热涂料 的热效应、超疏水涂料的超疏水性以及超疏水涂料的低表面能特性相结合，研制出一种新型 绝缘子半导体超疏水防覆冰涂料，它可以主动抑制输电线路覆冰的形成，并在文中分析了这 种涂料的可行性。 关键词：荷叶效应，超疏水，半导体，电热效应 ABSTRACT Since the transmission line icing seriously influences the secure and reliable operation of the power system,it has come to be an important and pressing task to carry out the research on anti-icing technology,which take great weight on the improvement of the secure operation of the power system.At present,anti-icing and de-icing methods of many shortcomings,are only able to serve as emergency preplans.Therefore,this paper combined the electric heating effect of semiconductor electrothermal coating together with the super hydrophobicity and low surface energy of the super-hydrophobic coating,and prepared a new kind of semiconductor super-hydrophobic compound coating for insulators,which can actively inhibit the formation of transmission line icing,and analyzes the feasibility of such coatings. Key words:lotus effect,super-hydrophobic,semiconductor,electrothermal effect
摘要 由于输电导线覆冰严重影响着电力系统的安全可靠运行，开展防覆冰技术研究已成为一 个重要而紧迫的课题,对提高电力系统的安全运行具有非常重要的价值。而目前已有的防冰 除冰方法有诸多缺点，只能作为输电导线防覆冰的应急预案，因此本文提出通过将电热涂料 的热效应、超疏水涂料的超疏水性以及超疏水涂料的低表面能特性相结合，研制出一种新型 绝缘子半导体超疏水防覆冰涂料，它可以主动抑制输电线路覆冰的形成，并在文中分析了这 种涂料的可行性。 关键词：荷叶效应，超疏水，半导体，电热效应 Մ⽐ʞᓟ⽐ Մince the transmission line icing seriously influences the secure and reliable operation of the power system, it has come to be an important and pressing task to carry out the research on anti-icing technology, which take great weight on the improvement of the secure operation of the power system. t present, anti-icing and de-icing methods of many shortcomings, are only able to serve as emergency preplans. ⽐herefore, this paper combined the electric heating effect of semiconductor electrothermal coating together with the super hydrophobicity and low surface energy of the super-hydrophobic coating, and prepared a new kind of semiconductor & super-hydrophobic compound coating for insulators, which can actively inhibit the formation of transmission line icing, and analyzes the feasibility of such coatings. Key words：lotus effect， super-hydrophobic， semiconductor， electrothermal effect
目录 第1章立项依据 1.1项目背景 1.2 项目意义 1.3输电线路防冰除冰方法现状 1.3.1热力除冰法 3 1.3.2机械除冰法- 2 1.3.3被动除冰法 ) 1.3.4其它方法… 2 1.4项目研究内容和目标- 2 1.4.1项目内容-- 1.4.2研究方向- ) 第2章可行型分析… 2.1超疏水涂料防冰机理 3 2.1.1表面能与接触角-- 2.1.2荷叶效应- 3 2.13超疏水涂料对覆冰的影响 3 2.2半导体电热涂料的发热机理- 2.2.1半导体涂料的制备方法 -4 2.2.2半导体涂料的导电机理-- -4 2.2.3半导体涂料对覆冰的影响- -4 2.3技术方案- 第3章结论与展望 3.1项目结论- -6 3.2项目存在的难点与不足 6 第4章参考文献-… 7
目录 第 1 章 立项依据--------------------------------------------------------------------------------------------1 1.1 项目背景------------------------------------------------------------------------------------------1 1.2 项目意义------------------------------------------------------------------------------------------1 1.3 输电线路防冰除冰方法现状------------------------------------------------------------------2 1.3.1 热力除冰法---------------------------------------------------------------------------------2 1.3.2 机械除冰法---------------------------------------------------------------------------------2 1.3.3 被动除冰法---------------------------------------------------------------------------------2 1.3.4 其它方法------------------------------------------------------------------------------------2 1.4 项目研究内容和目标---------------------------------------------------------------------------2 1.4.1 项目内容------------------------------------------------------------------------------------2 1.4.2 研究方向------------------------------------------------------------------------------------2 第 2 章 可行型分析-----------------------------------------------------------------------------------------3 2.1 超疏水涂料防冰机理---------------------------------------------------------------------------3 2.1.1 表面能与接触角---------------------------------------------------------------------------3 2.1.2 荷叶效应------------------------------------------------------------------------------------3 2.1.3 超疏水涂料对覆冰的影响---------------------------------------------------------------3 2.2 半导体电热涂料的发热机理------------------------------------------------------------------4 2.2.1 半导体涂料的制备方法------------------------------------------------------------------4 2.2.2 半导体涂料的导电机理------------------------------------------------------------------4 2.2.3 半导体涂料对覆冰的影响---------------------------------------------------------------4 2.3 技术方案------------------------------------------------------------------------------------------5 第 3 章 结论与展望-----------------------------------------------------------------------------------------6 3.1 项目结论------------------------------------------------------------------------------------------6 3.2 项目存在的难点与不足------------------------------------------------------------------------6 第 4 章 参考文献--------------------------------------------------------------------------------------------7
第1章立项依据 1.1项目背景 积雪覆冰是一种美丽的自然景观，但是积雪覆冰对于电力系统输电线路而言或是一种严 重的自然灾害。随着我国电力事业的不断发展，特别是对西部水电煤电资源的开发，西电东 送、北电南送目标的确定，大量的输电线路必然要经过高海拔、重覆冰的地区。当输电线路 出现严重覆冰时，会引起导线舞动、杆塔倾斜、倒杆（塔）、断线及绝缘子闪络等重大事故， 严重威胁电力系统的安全运行，影响人们正常的生产和生活，造成巨大的经济损失。] 我国是输电线路覆冰多发地区，据不完全统计，我国电力系统自1954年底至今，各地6kV 以上电压等级输电线路共发生过1000多起各种各样的覆冰灾害2001年2月河南省发生大面 积覆冰倒杆和绝缘子覆冰闪络事故，在2004年12月21日至28日间500kV输电线路发生冰 闪34次。2005年的春节，受持续低温阴雨的异常天气影响，湖南省湘潭、长沙、岳阳等8个 城市有多条220千伏及500千伏主干线覆冰，覆冰最厚处达七八十毫米，多处电线杆塔出现险 情，甚至倒塌。冰冻时间、覆盖范围、线路覆冰情况均为1954年以来最严重的一次。2008年 1月上旬至2月下旬期间，我国南方地区发生的大面积冰冻雨雪灾害，对我国浙江、安徽、 江苏、福建、湖北、湖南、云南、广东等十多个省市电网造成了严重的破坏，造成全国范围 内36740条10kV及以上电力线路、1743座变电站停运，直接经济损失超过1000亿元人 民币，而造成的间接经济损失以及社会影响更是难以估计。2012年初，持续低温雨雪天气 导致南方电网部分电力线路出现严重覆冰，贵州和广西电网共有超过20条500kV输电线 路出现跳闸等覆冰事故。6-10 倒下的输电塔 1.2项目意义 由于输电导线覆冰严重影响着电力系统的安全可靠运行，特别是随着近年来受全球气候 变暖的影响，极端天气频繁出现，冰灾事故发生概率有所上升，冰灾对电网安全的影响更加 显著，因此，开展防覆冰技术研究，开发可靠的防覆冰技术，采用有针对性的预防措施和处 理方法，已成为一个重要而紧迫的课题，对提高电力系统的安全运行具有非常重要的价值。 1.3输电线路防冰除冰方法现状 第1页共8页
第1页共 8 页 第 1 章 立项依据 1.1 项目背景 积雪覆冰是一种美丽的自然景观，但是积雪覆冰对于电力系统输电线路而言或是一种严 重的自然灾害。随着我国电力事业的不断发展，特别是对西部水电煤电资源的开发，西电东 送、北电南送目标的确定，大量的输电线路必然要经过高海拔、重覆冰的地区。当输电线路 出现严重覆冰时，会引起导线舞动、杆塔倾斜、倒杆(塔)、断线及绝缘子闪络等重大事故， 严重威胁电力系统的安全运行，影响人们正常的生产和生活，造成巨大的经济损失。[1-5] 我国是输电线路覆冰多发地区，据不完全统计，我国电力系统自 1954 年底至今,各地 6kV 以上电压等级输电线路共发生过 1000 多起各种各样的覆冰灾害 2001 年 2 月河南省发生大面 积覆冰倒杆和绝缘子覆冰闪络事故,在 2004 年 12 月 21 日至 28 日间 500kV 输电线路发生冰 闪 34 次。2005 年的春节,受持续低温阴雨的异常天气影响,湖南省湘潭、长沙、岳阳等 8 个 城市有多条 220 千伏及 500 千伏主干线覆冰,覆冰最厚处达七八十毫米,多处电线杆塔出现险 情,甚至倒塌。冰冻时间、覆盖范围、线路覆冰情况均为 1954 年以来最严重的一次。2008 年 1 月上旬至 2 月下旬期间，我国南方地区发生的大面积冰冻雨雪灾害，对我国浙江、安徽、 江苏、福建、湖北、湖南、云南、广东等十多个省市电网造成了严重的破坏，造成全国范围 内 36740 条 10kV 及以上电力线路、1743 座变电站停运，直接经济损失超过 1000 亿元人 民币，而造成的间接经济损失以及社会影响更是难以估计。2012 年初，持续低温雨雪天气 导致南方电网部分电力线路出现严重覆冰，贵州和广西电网共有超过 20 条 500kV 输电线 路出现跳闸等覆冰事故。[6-10] 1.2 项目意义 由于输电导线覆冰严重影响着电力系统的安全可靠运行，特别是随着近年来受全球气候 变暖的影响，极端天气频繁出现，冰灾事故发生概率有所上升，冰灾对电网安全的影响更加 显著，因此 ,开展防覆冰技术研究 , 开发可靠的防覆冰技术 ,采用有针对性的预防措施和处 理方法 , 已成为一个重要而紧迫的课题 ,对提高电力系统的安全运行具有非常重要的价值。 1.3 输电线路防冰除冰方法现状 倒下的输电塔
1.3.1热力除冰法 热力除冰法是通过短路、增加负荷等方法增大流过输电导线内部的电流，从而使导线发 热增加，表面温度升高，将其表面覆冰部分或全部融化。依据增大导线电流方式的不同，可分为 低居里电磁线、短路融冰、带负荷融冰、移相变压器等除冰方式。由于该方法是利用电流发 热来去除导线表面覆冰，低温大气条件下要保持输电导线表面较高温度需要较大的电流，为此 该方法具有能耗高、除冰效果有限、除冰线路长度不宜过长等缺点。] 1.3.2机械除冰法 机械除冰法是指通过机械外力手动或自动强制作用于导线上使覆冰脱落。依据外力作用 方式不同可分为滑轮铲刮法、强力振动法等；由于覆冰脱落完全依赖机械外力作用而产生，为 此该方法具有除冰效率低、工作强度大、易受地形地影响等缺点。2) 1.3.3被动除冰法 被动除冰法指利用风、地球引力、随机散射和温度变化等自然条件脱冰的方法。如采用 平衡锤、阻雪环等方法去除导线表面覆冰：由于这些方法产生防冰除冰效果完全依赖于自然 条件，为此其防冰除冰效果很有限。] 1.3.4其它方法 为飞行航空器除冰研制的基于机械冲击和冲撞的3种技术是I985年由Graber和Mack 等分别研究和改进的超声振动除冰技术，1988年由Zumwalt和Egbert等研究和改善的电 磁脉冲除冰技术以及1992年Martin和Putt、1996年由Loughborough和Hass等研制和 应用的气动脉冲除冰技术。如果电磁脉冲技术在航空器除冰中得到可靠应用，那么这种技术 将是输电线路除冰最易接受的方法。416 1.4项目研究内容和目标 1.4.1项目内容 热力除冰、机械除冰、自然被动法和其他防冰除冰方法有能耗高、效率低、易受地形地 貌影响等缺点，均只能作为输电导线防覆冰的应急预案，并不能从根本上抑制和消除输电导 线覆冰灾害的发生。所以如果在输电导线表面覆盖适当的涂层，主动抑制和缓解表面覆冰的 形成和增长，这将可以从根本上消除输电导线覆冰灾害的发生。同时它基本不需要人工干预， 也减少了后期运行维护的成本。 1.4.2研究方向 涂料材料应当具有以下这些特性： (1)有良好的憎水性能，水滴在其表面的接触角大，可有效防止水膜的形成 (2)有良好的憎污性或使污秽表面也有憎水性 (3)有较低的表面能，水在涂料表面的张力低或冰在其表面的粘附力小，当被冰覆盖时可 有良好的剥离效果 (4)要有良好的吸光性和传热性，这样对于溶冰有利，对被动法除冰很有帮助 (5)要有良好的耐候性，即对光照、冷热、风雨、细菌等造成的综合破坏的耐受能力强 如果能够研究出具有以上性质的涂料，将其涂于导线表面对导线防覆冰是很有利的。首 先，良好的憎水性能导致其表面不容易形成覆冰，其次，即使形成覆冰，当天气转晴温度升 高后，由于其良好的吸光性和传热性，温度上升迅速，能够加快融冰的速度；最后，其较低 的表面能也导致冰容易从表面剥离，有助于机械除冰法。而良好的耐候性能够延长涂料的使 用寿命，提高经济效率。 第2页共8页
第2页共 8 页 1.3.1 热力除冰法 热力除冰法是通过短路、增加负荷等方法增大流过输电导线内部的电流,从而使导线发 热增加,表面温度升高,将其表面覆冰部分或全部融化。依据增大导线电流方式的不同,可分为 低居里电磁线、短路融冰、带负荷融冰、移相变压器等除冰方式。由于该方法是利用电流发 热来去除导线表面覆冰,低温大气条件下要保持输电导线表面较高温度需要较大的电流,为此 该方法具有能耗高、除冰效果有限、除冰线路长度不宜过长等缺点。[11] 1.3.2 机械除冰法 机械除冰法是指通过机械外力手动或自动强制作用于导线上使覆冰脱落。依据外力作用 方式不同可分为滑轮铲刮法、强力振动法等;由于覆冰脱落完全依赖机械外力作用而产生,为 此该方法具有除冰效率低、工作强度大、易受地形地影响等缺点。[12] 1.3.3 被动除冰法 被动除冰法指利用风、地球引力、随机散射和温度变化等自然条件脱冰的方法。如采用 平衡锤、阻雪环等方法去除导线表面覆冰;由于这些方法产生防冰除冰效果完全依赖于自然 条件,为此其防冰除冰效果很有限。[13] 1.3.4 其它方法 为飞行航空器除冰研制的基于机械冲击和冲撞的 3 种技术是 1985 年由 Graber 和 Mack 等分别研究和改进的超声振动除冰技术，1988 年由 Zumwalt 和 Egbert 等研究和改善的电 磁脉冲除冰技术以及 1992 年 Martin 和 Putt、1996 年由 Loughborough 和 Hass 等研制和 应用的气动脉冲除冰技术。如果电磁脉冲技术在航空器除冰中得到可靠应用，那么这种技术 将是输电线路除冰最易接受的方法。[14-16] 1.4 项目研究内容和目标 1.4.1 项目内容 热力除冰、机械除冰、自然被动法和其他防冰除冰方法有能耗高、效率低、易受地形地 貌影响等缺点，均只能作为输电导线防覆冰的应急预案,并不能从根本上抑制和消除输电导 线覆冰灾害的发生。所以如果在输电导线表面覆盖适当的涂层,主动抑制和缓解表面覆冰的 形成和增长,这将可以从根本上消除输电导线覆冰灾害的发生。同时它基本不需要人工干预， 也减少了后期运行维护的成本。 1.4.2 研究方向 涂料材料应当具有以下这些特性： （1）有良好的憎水性能，水滴在其表面的接触角大，可有效防止水膜的形成 （2）有良好的憎污性或使污秽表面也有憎水性 （3）有较低的表面能，水在涂料表面的张力低或冰在其表面的粘附力小，当被冰覆盖时可 有良好的剥离效果 （4）要有良好的吸光性和传热性，这样对于溶冰有利，对被动法除冰很有帮助 （5）要有良好的耐候性，即对光照、冷热、风雨、细菌等造成的综合破坏的耐受能力强 如果能够研究出具有以上性质的涂料，将其涂于导线表面对导线防覆冰是很有利的。首 先，良好的憎水性能导致其表面不容易形成覆冰; 其次，即使形成覆冰，当天气转晴温度升 高后，由于其良好的吸光性和传热性，温度上升迅速，能够加快融冰的速度;最后，其较低 的表面能也导致冰容易从表面剥离，有助于机械除冰法。而良好的耐候性能够延长涂料的使 用寿命，提高经济效率
第2章可行型分析 2.1超疏水涂料防冰机理 2.1.1表面能与接触角 表面润湿性与固体的表面能和液体的表面张力有关可。物质表面的分子由于受力不平 衡产生一种向内收缩的力或势能，对液体物质为表面张力，对于凝聚体系，因Gibs自由 焓与Helmholt忆自由能近似相等，故也称为表面自由能（简称表面能）。界面张力是两物质界 面区的分子受力情况与各相内分子受力的情况不同而产生的一种作用力。 接触角又称润湿角，它是衡量界面张力的标志，也是判定物质疏水性能的重要因素之一。固 体表面液滴的静态接触角是固、气、液界面间表面张力平衡的结果，液滴的平衡使得体系总 能量趋于最小，因而使液滴在固体表面上处于稳态（或亚稳态）。通常，用接触角0来衡量固体 表面的浸润性： 0=0°，液体在固体表面铺展，完全湿润固体表面，固体表面具有超亲水性； 0。150°，固体表面具有超疏水性： 0=180°，完全不润湿，液体在固体表面润湿成小球。 2.1.2荷叶效应 由于普通光滑材料表面的水滴接触角大小不超过1200（本文中称为普通憎水性表面），但 自然界中诸多的植物如荷叶表面，具有高达150度以上的水滴接触角，且水滴在其表面不易形 成稳定的停留。为了得到与荷叶表面相似的憎水性，大量学者对荷叶的表面结构进行了分析 研究8-22，发现荷叶表面并非光滑结构表面，而是由大量微米尺寸乳凸所组成，同时在这些微 米尺寸乳凸表面还存在着大量纳米尺寸的突起，整体表现为微纳米复合阶层结构粗糙表面：另 外通过对荷叶表面化学成分进行分析表明，荷叶表面还存在着一层蜡质憎水性涂层。通过综 合分析表明，荷叶表面这种独特的微纳米复合阶层结构与其表面僧水性蜡质涂层的有机结合 奠定了其表面良好超憎水性能的基础。依据荷叶表面超憎水性形成的原理，研究人员建立了 基于粗糙材料表面水滴接触角的Cassie一Baxter模型23-2刃： cos0R=fcos0+1)一1 (*) 其中：0R为粗糙材料表面的水滴接触角，0为材料表面的本征水滴接触角，f为粗糙材料表面 的水滴接触分数。依据式(*)，当材料的本征水滴接触角0>90度，通过相关措施减小材料表面 的水滴接触分数￡，将可以获得水滴接触角日R更大的表面。通过在材料表面构造一定的微纳 米粗糙结构将有利于减小材料表面的水滴接触分数。这是由于材料表面的微纳米粗糙结构 中将存在着大量的微小凹坑，这些憎水性微纳米凹坑容易被空气填充，在水滴底部形成气泡垫， 当水滴与材料表面接触时，这些气泡垫将减小水滴与材料间的接触分数￡，导致粗糙材料表面 具备较大的水滴接触角。 2.1.3超疏水涂料对覆冰的影响 普通憎水性涂料接触角一般不会超过110度，而利用“荷叶效应”，通过调整涂料表面 微结构制备的超疏水涂料可以达到150度。研究表明，过冷却水滴与表面接触角越大，即表 面的疏水性越强，过冷却水滴在这种表面上被冻结所需时间越长。水在憎水性的表面的存在 形态不是连续的水膜，而独立的小水珠，而且大部分降落在涂层表面的水珠将会自行滑落，大 大减少了覆冰量。残留在表面的水珠在零度以下将会冻结一个个小冰块，冰块的不断堆积形 第3页共8页
第3页共 8 页 第 2 章可行型分析 2.1 超疏水涂料防冰机理 2.1.1 表面能与接触角 表面润湿性与固体的表面能和液体的表面张力有关[17]。物质表面的分子由于受力不平 衡产生一种向内收缩的力或势能，对液体物质为表面张力，对于凝聚体系，因 Gibbs 自由 焓与 Helmholtz 自由能近似相等，故也称为表面自由能(简称表面能)。界面张力是两物质界 面区的分子受力情况与各相内分子受力的情况不同而产生的一种作用力。 接触角又称润湿角，它是衡量界面张力的标志，也是判定物质疏水性能的重要因素之一。固 体表面液滴的静态接触角是固、气、液界面间表面张力平衡的结果,液滴的平衡使得体系总 能量趋于最小，因而使液滴在固体表面上处于稳态(或亚稳态)。通常,用接触角θ来衡量固体 表面的浸润性: θ = 0° ,液体在固体表面铺展，完全湿润固体表面,固体表面具有超亲水性; 0 ° 150°，固体表面具有超疏水性； θ = 180°，完全不润湿，液体在固体表面润湿成小球。 2.1.2 荷叶效应 由于普通光滑材料表面的水滴接触角大小不超过 1200(本文中称为普通憎水性表面),但 自然界中诸多的植物如荷叶表面,具有高达 150 度以上的水滴接触角,且水滴在其表面不易形 成稳定的停留。为了得到与荷叶表面相似的憎水性,大量学者对荷叶的表面结构进行了分析 研究[18-22],发现荷叶表面并非光滑结构表面,而是由大量微米尺寸乳凸所组成,同时在这些微 米尺寸乳凸表面还存在着大量纳米尺寸的突起,整体表现为微纳米复合阶层结构粗糙表面;另 外通过对荷叶表面化学成分进行分析表明,荷叶表面还存在着一层蜡质憎水性涂层。通过综 合分析表明,荷叶表面这种独特的微纳米复合阶层结构与其表面憎水性蜡质涂层的有机结合 奠定了其表面良好超憎水性能的基础。依据荷叶表面超憎水性形成的原理,研究人员建立了 基于粗糙材料表面水滴接触角的 ᓟassie 一 axter 模型[23-27]: cosθʞ=f(cosθ+1)一 1 (*) 其中:θʞ 为粗糙材料表面的水滴接触角,θ为材料表面的本征水滴接触角,f 为粗糙材料表面 的水滴接触分数。依据式(*),当材料的本征水滴接触角 0>90 度,通过相关措施减小材料表面 的水滴接触分数 f,将可以获得水滴接触角θʞ 更大的表面。通过在材料表面构造一定的微纳 米粗糙结构,将有利于减小材料表面的水滴接触分数 f。这是由于材料表面的微纳米粗糙结构 中将存在着大量的微小凹坑,这些憎水性微纳米凹坑容易被空气填充,在水滴底部形成气泡垫, 当水滴与材料表面接触时,这些气泡垫将减小水滴与材料间的接触分数 f,导致粗糙材料表面 具备较大的水滴接触角。 2.1.3 超疏水涂料对覆冰的影响 普通憎水性涂料接触角一般不会超过 110 度，而利用“荷叶效应”，通过调整涂料表面 微结构制备的超疏水涂料可以达到 150 度。研究表明，过冷却水滴与表面接触角越大，即表 面的疏水性越强，过冷却水滴在这种表面上被冻结所需时间越长。水在憎水性的表面的存在 形态不是连续的水膜,而独立的小水珠,而且大部分降落在涂层表面的水珠将会自行滑落,大 大减少了覆冰量。残留在表面的水珠在零度以下将会冻结一个个小冰块,冰块的不断堆积形
成冰层，但是这些小冰块之间存在着大量的空气间隙，因此所形成冰层的密度远远要比水膜 所形成冰层的密度要小。冰层密度的减小也减少了涂层表面的覆冰量。28-29， 2.2半导体电热涂料的发热机理 2.2.1半导体涂料的制备方法 导电涂料按照组成和导电机理的不同可分为两大类：一类是结构型导电涂料，另一类是 掺合型导电涂料。结构型导电涂料以本身具有导电性的高聚物为基本成膜物质，以高聚物自 身的导电功能使涂层具有导电性能，如聚苯胺、聚乙炔、聚吡咯等物质。掺合型导电涂料主 要是通过在绝缘高聚物中掺入导电性填料，如金属微粒、碳系微粒等物质使本身不导电的高 聚物具有导电性能，这种导电性能并非高聚物本身固有的特性，其导电过程是依靠导电填料 所提供的自由电子载流子实现的，这种导电涂料是目前使用最为广泛的种类。[032刘] 我决定利用第二种方法，将纳米ATO(锑掺杂氧化锡)加入到涂料的成膜物质中，使涂料 具有半导电性。纳米ATO具有良好的导电性、稳定性和耐候性，在高电压、高电场强度的 情况下仍能具备稳定的性能，因此能够延长电热涂料的寿命。B3刘 2.2.2半导体涂料的导电机理 掺和型导电涂料是在本身绝缘的各种成膜物质中掺入导电填料，使涂料具有导电性能， 这种导电性能并不是成膜物质所固有的特性，其导电过程是由导电填料提供载流子来实现的。 其导电机理可以由渗流作用、隧道效应、热膨胀来解释。3536) 1)渗流理论 渗流理论，又称导电通道学说。在涂层中填充导电填料，只有当导电粒子的填充量大到某一 特定值时，才有电流流经的通道，涂层才具有导电性，此特定值称为渗流临界值。此时，体 系内的导电微粒便会“列队”形成一个无限导电网链，导电微粒相互连接，形成一个导电桥， 使自由载流子从高聚物的这一端经过“桥”达到另一端，从而使绝缘体变成半导体或导体。 而在导电填料体积分数小于渗流临界值时，载流子流通的通道完全被绝缘性聚合物“堵塞”， 此时涂层的电阻基本上是绝缘性聚合物的电阻。 2)隧道效应 自由载流子在一定条件下跃过聚合物薄层使涂层导电的机制主要是量子力学的隧道效应。当 两个导电粒子之间的非导电绝缘层很薄时，电子在外界电场作用下越过非导电绝缘层的势垒 而流动的现象称为隧道效应。量子力学隧道效应给出了宏观现象的微观解释，因为隧道效应 只有在两个导电粒子非常接近时，非导电绝缘层非常薄时，电子才能越过非导电绝缘层的势 垒，涂层的导电性才能发生突变。因此，在导电粒子含量在渗流临界值以前时，涂层的导电 性主要是由量子力学隧道效应控制的：在渗流临界值后，涂层的导电性能是由导电粒子的欧 姆导电作用决定的。 3)热膨胀 聚合物的热膨胀系数通常比导电填料的热膨胀系数大得多。因此，可以推断涂料中导电填料 粒子之间的距离是随温度显著变化的。在某一温度下，导电粒子含量在渗流临界值以上的导 电涂料具有导电性，但当温度升高时，聚合物的热膨胀会使导电粒子间距增大到不能产生隧 道效应，从而使涂料的导电性能下降，其电阻率甚至可以增加几个数量级。 2.2.3半导体涂料对覆冰的影响 由于涂层具有半导电特性，因此降低了陶瓷绝缘子两极之间的绝缘电阻，在通电运行的时 候涂层流过泄漏电流产生焦耳热，提高绝缘子的表面温度。绝缘子本身的陶瓷介质在强电场 中也会产生介质损耗发热。在保证绝缘子的绝缘性能条件下，提高绝缘子的发热有利于防止 表面覆冰的形成。绝缘子的总发热量由介质损耗所产生的发热量与泄漏电流产生的焦耳热。 由于介质损耗是基本不变的，因此可以通过提高泄露电流产生的焦耳热使得绝缘子的表面温 第4页共8页
第4页共 8 页 成冰层,但是这些小冰块之间存在着大量的空气间隙,因此所形成冰层的密度远远要比水膜 所形成冰层的密度要小。冰层密度的减小也减少了涂层表面的覆冰量。[28-29] 2.2 半导体电热涂料的发热机理 2.2.1 半导体涂料的制备方法 导电涂料按照组成和导电机理的不同可分为两大类：一类是结构型导电涂料，另一类是 掺合型导电涂料。结构型导电涂料以本身具有导电性的高聚物为基本成膜物质，以高聚物自 身的导电功能使涂层具有导电性能，如聚苯胺、聚乙炔、聚吡咯等物质。掺合型导电涂料主 要是通过在绝缘高聚物中掺入导电性填料，如金属微粒、碳系微粒等物质使本身不导电的高 聚物具有导电性能，这种导电性能并非高聚物本身固有的特性，其导电过程是依靠导电填料 所提供的自由电子载流子实现的，这种导电涂料是目前使用最为广泛的种类。[30-32] 我决定利用第二种方法，将纳米 ⽐O（锑掺杂氧化锡）加入到涂料的成膜物质中，使涂料 具有半导电性。纳米 ⽐O 具有良好的导电性、稳定性和耐候性，在高电压、高电场强度的 情况下仍能具备稳定的性能，因此能够延长电热涂料的寿命。[33-34] 2.2.2 半导体涂料的导电机理 掺和型导电涂料是在本身绝缘的各种成膜物质中掺入导电填料，使涂料具有导电性能， 这种导电性能并不是成膜物质所固有的特性，其导电过程是由导电填料提供载流子来实现的。 其导电机理可以由渗流作用、隧道效应、热膨胀来解释。[35-36] 1) 渗流理论 渗流理论，又称导电通道学说。在涂层中填充导电填料，只有当导电粒子的填充量大到某一 特定值时，才有电流流经的通道，涂层才具有导电性，此特定值称为渗流临界值。此时，体 系内的导电微粒便会“列队”形成一个无限导电网链，导电微粒相互连接，形成一个导电桥， 使自由载流子从高聚物的这一端经过“桥”达到另一端，从而使绝缘体变成半导体或导体。 而在导电填料体积分数小于渗流临界值时，载流子流通的通道完全被绝缘性聚合物“堵塞”， 此时涂层的电阻基本上是绝缘性聚合物的电阻。 2) 隧道效应 自由载流子在一定条件下跃过聚合物薄层使涂层导电的机制主要是量子力学的隧道效应。当 两个导电粒子之间的非导电绝缘层很薄时，电子在外界电场作用下越过非导电绝缘层的势垒 而流动的现象称为隧道效应。量子力学隧道效应给出了宏观现象的微观解释，因为隧道效应 只有在两个导电粒子非常接近时，非导电绝缘层非常薄时，电子才能越过非导电绝缘层的势 垒，涂层的导电性才能发生突变。因此，在导电粒子含量在渗流临界值以前时，涂层的导电 性主要是由量子力学隧道效应控制的；在渗流临界值后，涂层的导电性能是由导电粒子的欧 姆导电作用决定的。 3) 热膨胀 聚合物的热膨胀系数通常比导电填料的热膨胀系数大得多。因此，可以推断涂料中导电填料 粒子之间的距离是随温度显著变化的。在某一温度下，导电粒子含量在渗流临界值以上的导 电涂料具有导电性，但当温度升高时，聚合物的热膨胀会使导电粒子间距增大到不能产生隧 道效应，从而使涂料的导电性能下降，其电阻率甚至可以增加几个数量级。 2.2.3 半导体涂料对覆冰的影响 由于涂层具有半导电特性,因此降低了陶瓷绝缘子两极之间的绝缘电阻,在通电运行的时 候涂层流过泄漏电流产生焦耳热,提高绝缘子的表面温度。绝缘子本身的陶瓷介质在强电场 中也会产生介质损耗发热。在保证绝缘子的绝缘性能条件下,提高绝缘子的发热有利于防止 表面覆冰的形成。绝缘子的总发热量由介质损耗所产生的发热量与泄漏电流产生的焦耳热。 由于介质损耗是基本不变的,因此可以通过提高泄露电流产生的焦耳热使得绝缘子的表面温
度上升。如果能通过改进涂料的配方调整泄露电流产生的发热量，，就可以使绝缘子的表面 温度保持零度以上，延缓或阻止覆冰的形成。 2.3技术方案 疏水性涂料与半导体电热涂料根据不同的原理分别可以达到防冰除冰的目的。根据目前 半导体涂料和超疏水涂料的研究现状可知，半导体涂料和超疏水涂料的制备原理有着很大的 区别，这种原理上的差异使得想要制备出一种既具有半导体性能又具有超疏水性能的涂料几 乎不可能实现，因此只有采用复合的方式，将两种涂料通过化学方式有机的结合起来。所以 我考虑设计一种半导体涂层，并将其作为超疏水涂层的基底，然后再在半导体基底上构造超 疏水表层，得到半导体超疏水复合涂料。 阻止表面 水膜的形 降底覆冰的密度 成 憎水特性 少覆冰量 降低冰与 ,延 材料表面 冰与材料表面脱离 的吸附力 应用防绝缘子覆冰涂料 阻止覆冰 泄漏电流 产生焦耳 提高绝缘子表面温度 热 绝 半导电特性 子上的形 均匀电压 提高覆冰闪络电压 分布 成 半导体超疏水涂料防冰除冰机理 第5页共8页
第5页共 8 页 度上升。如果能通过改进涂料的配方调整泄露电流产生的发热量，,就可以使绝缘子的表面 温度保持零度以上,延缓或阻止覆冰的形成。 2.3 技术方案 疏水性涂料与半导体电热涂料根据不同的原理分别可以达到防冰除冰的目的。根据目前 半导体涂料和超疏水涂料的研究现状可知，半导体涂料和超疏水涂料的制备原理有着很大的 区别，这种原理上的差异使得想要制备出一种既具有半导体性能又具有超疏水性能的涂料几 乎不可能实现，因此只有采用复合的方式，将两种涂料通过化学方式有机的结合起来。所以 我考虑设计一种半导体涂层，并将其作为超疏水涂层的基底，然后再在半导体基底上构造超 疏水表层，得到半导体超疏水复合涂料。 半导体超疏水涂料防冰除冰机理
第3章结论与展望 3.1项目结论 通过将电热涂料的热效应、超疏水涂料的超疏水性以及超疏水涂料的低表面能特性相结 合，研制出一种新型绝缘子半导体超疏水防覆冰涂料，在不降低绝缘子绝缘性能的前提下， 可以解决绝缘子覆冰的问题。因此，半导体超疏水防冰涂料的研究对保障输电线路的安全稳 定运行有着不可替代的现实意义和研究价值。虽然还存在一些技术问题，但是我相信随着科 学技术的进步，这些技术难关终将被解决，这种涂料也将会广泛运用于电力输送系统中，纳 米材料会发挥着自身的价值，减少冰灾事故的发生。 3.2项目存在的不足 在本文所设想的方案中，依然存在着一些问题与不足，这些不足也会成为下一步研究工作所 需要攻克的难关。 (1)在非覆冰时期，绝缘子表面也会保持有泄露电流通过，长此以往，将会造成电能的大 量损失，降低经济效益。 (2)在常温与高温环境下，绝缘子表面由于有泄露电流通过而产生热效应，会造成涂料的 老化，减少涂料的使用寿命。 (3)当温度过低时，通过泄漏电流产生热效应的发热量不足以融化覆冰，同时由于超疏水 涂层表面己存在覆冰，无法发挥超疏水性与低表面能的特性。 第6页共8页
第6页共 8 页 第 3 章 结论与展望 3.1 项目结论 通过将电热涂料的热效应、超疏水涂料的超疏水性以及超疏水涂料的低表面能特性相结 合，研制出一种新型绝缘子半导体超疏水防覆冰涂料，在不降低绝缘子绝缘性能的前提下， 可以解决绝缘子覆冰的问题。因此，半导体超疏水防冰涂料的研究对保障输电线路的安全稳 定运行有着不可替代的现实意义和研究价值。虽然还存在一些技术问题，但是我相信随着科 学技术的进步，这些技术难关终将被解决，这种涂料也将会广泛运用于电力输送系统中，纳 米材料会发挥着自身的价值，减少冰灾事故的发生。 3.2 项目存在的不足 在本文所设想的方案中，依然存在着一些问题与不足，这些不足也会成为下一步研究工作所 需要攻克的难关。 （1）在非覆冰时期，绝缘子表面也会保持有泄露电流通过，长此以往，将会造成电能的大 量损失，降低经济效益。 （2）在常温与高温环境下，绝缘子表面由于有泄露电流通过而产生热效应，会造成涂料的 老化，减少涂料的使用寿命。 （3）当温度过低时，通过泄漏电流产生热效应的发热量不足以融化覆冰，同时由于超疏水 涂层表面已存在覆冰，无法发挥超疏水性与低表面能的特性
参考文献 [1胡毅.电网大面积冰灾分析及对策探讨).高电压技术，2008,34(2)：215-219 [2]张予.架空输电线路导线覆冰在线监测系统).高电压技术，2008,34(9)：1992-1995 [3]蒋正龙，陆佳政，雷红才，等.湖南2008年冰灾引起的倒塔原因分析[U.高电压技 术，2008,3411)：2468-2474 [4]山霞，舒乃秋.关于架空输电线除冰措施的研究U.高电压技术，2006，犯(4)：25-27 [5]苑吉河，蒋兴良，易辉，等输电线路导线覆冰的国内外研究现状J高电压技 术.200330(1)：6-9 [6]李再华，白晓民，周子冠，等.电网覆冰防治方法和研究进展U.电网技术，2008,32(4)：7-13 [7☑吴文辉湖南电网覆冰输电线路跳闸事故分析及措施).高电压技术，2006,32(2)：110-111 [8]杨靖波，李正，杨风利，等.2008年电网冰灾覆冰及倒塔特征分析1.电网与水力发电进 展，2008,244)：4-8 [9]吴昌垣，张宇.南方山区220kV线路倒杆（塔）原因分析及对策J.江西电力，2008 [10]陈松.沪州地区输电线路覆冰的防范与处理措施[.四川电力技术，2008 [11]蒋兴良，马俊，王少华输电线路冰害事故及原因分析J.中国电力，2005,38(11)少：27-30 [12]中国南方电网公司.电网防冰融冰技术及应用[M.北京：中国电力出版社，2010 [13]蒋兴良，易辉输电线路覆冰及防护[M)北京：中国电力出版社，2001. [14]PHAN C L.Accumulation du Vergla sur Les Nouveaux Types D'isolateur Sous Haute Tension.[J].Canadian Electrical Engineering Journal,1977,2(4),24-28. [15]Graber,Mark.Ice and Snow Accretion on Structures.England:Research Studies Press LTD, 1991 [16]Zumwalt,Egbert.The Density of Accreted Ice,1988,Vol.112:1081-1090 [17刀顾剔人朱步瑶等.表面化学M.北京：科学出版社，2001 [18]Kesong Liu,Milin Zhang,Jin Zhai,et al.Bioinspired construction of Mg-Li alloys surfaces with stable superhydrophobicity and improved corrosion resistance [J].Applied Physics Letter, 2008,92:183103 [19]Shutao Wang,Ying Zhu,Fan Xia,et al.The preparation of a superhydrophobic carbon film from a superhydrophobic lotus leaf [J].Letters to the Editor/Carbon,2006,44:1845-1869 [20]On-Um animittrakoolehai,Sitthisuntom SuPothina.Deposition of organic-based superhydrophobc films for anti-adhesion and self-eleaning applieations [J].Joumal of the European Ceramic Soeiety,2008,28:947-952 [21]Y.Liu,T.Tan,B.Wang,et al.Fabrication of CdS films with superhydrophobicity by the microwave assisted chemical both deposition [J].Journal of Colloid and Interface Seienee,2008,320:540-547 [22]江雷，冯琳.仿生智能纳米界面材料(M).北京：化学工业出版社，2007：50-107 23]Pozzato.A.,21110.S.D..Fois,G.,et al.Superhydrophobic surface fabricated by nanoimprint lithography[J].Microelectronic Engineering,2006,83:884-888 [24]Nosonovsky,M.,Bhushan,B.Hierarchical roughness makes superhydrophobic states stable [J]. Microelectronic Engineering,2007,84:382-386 [25]Xuefeng Gao,Xi Yao,Lei Jiang.Effect of rugged nanoprotrusions on the surface hydrophobicity and water adhesion of anisotropic micropatterns [J].Langnuir,2007,23:4886-4891 第7页共8页
第7页共 8 页 参考文献 [1]胡毅.电网大面积冰灾分析及对策探讨[J].高电压技术,2008,34(2):215-219 [2]张予.架空输电线路导线覆冰在线监测系统[J].高电压技术,2008,34(9):1992-1995 [3]蒋正龙,陆佳政,雷红才,等.湖南 2008 年冰灾引起的倒塔原因分析[J].高电压技 术,2008,34(11):2468-2474 [4]山霞,舒乃秋.关于架空输电线除冰措施的研究[J].高电压技术,2006,犯(4):25-27 [5]苑吉河,蒋兴良,易辉,等.输电线路导线覆冰的国内外研究现状[J].高电压技 术,2003,30(1):6-9 [6]李再华,白晓民,周子冠,等.电网覆冰防治方法和研究进展[J].电网技术,2008,32(4):7-13 [7]吴文辉.湖南电网覆冰输电线路跳闸事故分析及措施[J].高电压技术,2006,32(2):110-111 [8]杨靖波,李正,杨风利,等.2008 年电网冰灾覆冰及倒塔特征分析[J1.电网与水力发电进 展,2008,24(4):4-8 [9]吴昌垣,张宇.南方山区 220kV 线路倒杆(塔)原因分析及对策[JJ.江西电力,2008 [10]陈松.沪州地区输电线路覆冰的防范与处理措施[J].四川电力技术,2008. [11]蒋兴良,马俊,王少华.输电线路冰害事故及原因分析[J].中国电力, 2005,38(11): 27-30 [12]中国南方电网公司.电网防冰融冰技术及应用[M].北京:中国电力出版社, 2010. [13]蒋兴良,易辉.输电线路覆冰及防护[M].北京:中国电力出版社,2001. [14] PHN ᓟ L. ccumulation du Vergla sur Les Nouveaux ⽐ypes D’isolateur Մous Haute ⽐ension.[J]. ᓟanadian Electrical Engineering Journal,1977,2(4),24-28. [15] Graber, Mark. Ice and Մnow ccretion on Մtructures. England: ʞesearch Մtudies Press L⽐D, 1991. [16] Zumwalt, Egbert. ⽐he Density of ccreted Ice, 1988,Vol.112:1081-1090 [17]顾剔人朱步瑶等.表面化学[M].北京：科学出版社，2001 [18]Kesong Liu, Milin Zhang, Jin Zhai, et al. ioinspired construction of Mg 一 Li alloys surfaces with stable superhydrophobicity and improved corrosion resistance「J」. pplied Physics Letter, 2008, 92:183103 [19]Մhutao Wang, Ying Zhu, Fan Xia, et al. ⽐he preparation of a superhydrophobic carbon film from a superhydrophobic lotus leaf [J]. Letters to the Editor/ᓟarbon,2006,44:1845-1869 [20]On-Um animittrakoolehai, Մitthisuntom ՄuPothina. Deposition of organic-based superhydrophobc films for anti-adhesion and self-eleaning applieations [J]. Joumal of the European ᓟeramic Մoeiety,2008,28:947-952 [21]Y.Liu, ⽐. ⽐an, . Wang, et al. Fabrication of ᓟdՄ films with superhydrophobicity by the microwave assisted chemical both deposition [J」. Journal of ᓟolloid and Interface Մeienee,2008,320:540-547 [22]江雷,冯琳.仿生智能纳米界面材料〔M〕.北京:化学工业出版社,2007:50-107 [23]Pozzato, ., 21110,Մ.D.,Fois,G., et al. Մuperhydrophobic surface fabricated by nanoimprint lithography[J]. Microelectronic Engineering, 2006,83:884-888 [24]Nosonovsky, M., hushan ,.Hierarchical roughness makes superhydrophobic states stable [J]. Microelectronic Engineering,2007,84:382-386 [25]Xuefeng Gao, Xi Yao, Lei Jiang. Effect of rugged nanoprotrusions on the surface hydrophobicity and water adhesion of anisotropic micropatterns [J]. Langnuir,2007,23:4886-4891