疏水性涂层表面过冷却水滴的冻结过程及影响因素的研究.docx

1、疏水性涂层表面过冷却水滴的冻结过程及影响因素的研究 国家级大学生创新训练项目申报书项目名称：疏水性涂层表面过冷却水滴的 冻结过程及影响因素的研究 学院： 弘深学院 指导教师：项目组成员：教务处制填写说明1、 凡申报国家级大学生创新训练项目必须填写申报书。2、 向学校报送本申报书时，一式3份，并报送申报书电子文档。3、 本表填写内容必须与事实相符，表达准确，数字一律填写阿拉伯数字。4、 打印格式：（1）纸张为A4大小，双面打印；（2）文中小标题为四号、仿宋、加黑；（3）栏内正文为小四号、仿宋。项目名称疏水性涂层表面过冷却水滴的冻结过程及影响因素的研究项目所属学科一级学科代码及名称二级学科代码及名

2、称三级学科代码及名称470 动力与电气工程47040 电气工程4704034 高电压工程项目开展支撑平台“输配电装备及系统安全与新技术”国家重点实验室项目组人数3项目实施时间2013年6月至2014年6月项目所需经费20,000元项目组成员（含项目申请学生）姓 名学 号年级专业班联系电话签名 主要指导教师姓 名职 称学 院联系电话签名注*：指支撑本项目开展的校、院级教学实验中心、科研实验室等，表中填写有关实验室名称，可以多个。主要研究内容(限200字内)针对现有的各种不同疏水性涂料，采取微观与宏观相结合的方式，研究在可能导致绝缘子覆冰的环境下，疏水性涂层表面过冷却水滴的冻结微观过程、冻结时间，

3、以及影响冻结的因素和作用原理。项目研究难点及创新点难点：在研究一种变量对过冷却水滴冻结过程的影响时，需要控制多种变量，对试验环境要求较高，搭建试验平台有很大难度；国内外对多种环境因素影响下的超疏水涂层表面过冷却水滴冻结微观过程的研究资料匮乏，可借鉴的实验和分析方法较少。创新点：通过高倍电镜和摄像设备从微观角度记录和分析过冷却水滴的冻结过程；考虑温度、湿度、风速、过冷却水直径和过冷却水密度等多种环境因素，分析过冷却水滴冻结原理；从疏水性涂料表面结构的角度，研究不同类型疏水性涂料对过冷却水冻结过程的影响。一、项目组成员分工姓名主要项目研究内容负责实验环境的搭建、实验过程和结果记录负责参数测量和数据

4、分析负责原理分析和研究报告撰写二、立项背景和依据（包括研究目的、意义、国内外研究现状分析及评价）1.立项背景和研究意义2008年1月至2月，我国南方出现了历史上罕见的大面积持续低温、雨雪冰冻极端天气，低温雨雪冰冻灾害造成21个省(区、市)不同程度受灾，造成电网设施严重覆冰，输电线路发生倒塔、断线、跳闸事故上万次，部分地区大面积停电，给人民生产生活带来巨大影响，直接经济损失高达上千亿元。为防止类似冰灾事故的发生，党和国家给予了高度重视，全国也掀起了前所未有的输电线路防冰、除冰、抗冰和融冰技术研究的热潮。防覆冰方法是在覆冰前采取有效措施，避免冰在物体上积覆，或即使积覆，其总的覆冰荷载控制在物体可承

5、受的范围；而除冰方法则是在覆冰后采取措施主动清除覆冰，二者的目标和针对性有很大差异。电网防冰、除冰方法是国内外目前没有解决的技术难题。几十年来，国内外进行了广泛深入的研究，提出了40 多种输电线路导线和绝缘子的防冰、除冰的方法，对于绝缘子而言，主要分为4类: 机械除冰，即采用外力的作用人工除掉绝缘子上的覆冰；热力除冰，主要应用有激光器、热蒸汽、热水流等；被动防冰，主要有防覆冰涂料；其它方法，主要有碰撞前颗粒冻结或加热、电晕放电等。有些方法在工程实践中虽有应用实例，且取得了一定成效，但尚存在技术不成熟、操作困难、成本太高和效果不明显等诸多问题，总的来讲，目前可应用于输电线路绝缘子防冰、除冰的有效

6、方法较少。2008年冰灾后，国内外研究和探索过的几十种方法在我国重新得到审视，其中，疏水性防冰涂料(Hydrophobic Materials)在输电线路防冰中的应用得到再次重视。利用疏水性涂料防止或延缓绝缘子覆冰是被动防冰方法之一，适合于输电线路大面积防冰。近来引起众多研究者的关注，是目前研究最为广泛的防止绝缘子覆冰的方法之一。国家电网公司和南方电网公司已投入大量财力、物力和人力对其进行研究和探索。疏水性防冰涂料是通过涂层表面的低表面能来降低覆冰过程中过冷却水滴的被捕获率，或者降低覆冰与被覆冰物体的粘结强度而起到防覆冰的作用。采用疏水性涂料进行防冰的思路已经吸引了工程和学术界极大的兴趣。目前

7、，应用于输电线路绝缘子防覆冰的疏水性涂料主要分为两大类：一类是传统的憎水性涂料，主要有低分子量的甲基硅油、中分子量的羟基硅树脂、高分子量的羟基硅橡胶及含氟羟基硅橡胶，其中羟基硅橡胶及含氟羟基硅橡胶都为室温硫化（Room temperature vulcanized, RTV）硅橡胶；另一类是，防荷叶效应研制的具有超疏水特性的涂层，这类涂层具有很高的接触角(通常可以达到150以上)和较小的滞后角。然而，对于疏水性涂料涂覆绝缘子后其到底是否具有防冰性能，目前国内外还有很大争议。国内外的研究大都还停留在从宏观观察过冷却水滴冻结时间和绝缘子防冰性能的阶段。从微观角度研究疏水性涂层表面过冷却水滴的冻结过

8、程、影响冻结的因素和作用原理的资料还十分匮乏，不同微观结构疏水性涂层对过冷却水滴冻结的影响还不是很明了，这也是造成上述争议的主要原因。本项目拟针对现有的各种不同疏水性涂料，采取微观观察与宏观模拟相结合的方式，考虑可能导致绝缘子覆冰的各种环境条件和疏水性涂料微观结构，研究绝缘子疏水性涂层表面过冷却水滴的冻结微观过程、冻结时间、及不同因素对其冻结过程的影响机理，以及绝缘子上疏水性涂层若能达到防冰效果所需满足的微观结构特征。此项目的分析结果是研究过冷却水滴碰撞特性、冰层与涂覆涂层的衬垫粘接力、涂层微观结构和电场强度对过冷却水滴碰撞和冻结的影响，以及涂覆不同疏水性涂层的绝缘子覆冰后的电气特性的理论基础

9、。具有重要的学术和工程应用价值，同时也是建设坚强稳定的智能电网迫切需要解决的关键问题。2.国内外研究现状分析及评价目前，国内外对多种环境因素影响下的超疏水涂层表面过冷却水滴冻结微观过程的研究资料相对匮乏。现摘取部分学者的研究成果：美国麻省理工的Adam J. Meuler等人的研究表明：在一定条件下，超疏水表面通过使过冷却水滴在冻结之前流失而可以起到防冰的效果。匹兹堡大学的Liangliang Cao等人研究了有机硅改性纳米粒子和丙烯酸树脂共混制备出的超疏水涂层，发现：超疏水表面的防冰性能不仅与表面超疏水性的强弱有关，还与暴露于表面的纳米粒子粒径有关，当纳米粒子的粒径小于50nm时，过冷却水滴

10、便很难在超疏水涂层冻结，且随着粒径的减小，涂层的防冰性能明显增强，而当超疏水涂层的纳米粒子超过50nm时，涂层表面的覆冰的概率将大大增强。美国麻省理工的Kripa K. Varanasi等人研究了超疏水表面霜的形成和冰层粘接力，发现：涂层表面霜的冻结与表面微观结构有关，霜一旦冻结形成，超疏水表面的超疏水性将严重下降。瑞士的Stefan Jung等人研究了从亲水性表面到超疏水性表面上的过冷却水滴冻结时间和具有不同粗糙度表面的过冷水滴冻结时间发现：表面超疏水性越好，水滴冻结时间越长；纳米结构的粗糙度对水滴冻结时间也有影响，只有当纳米结构的粗糙度小于临界冰核半径时，水滴冻结时间才有可能被延迟。美国橡

11、树岭国家实验室的Jonathan B. Boreyko等人研究了超疏水性表面上的过冷却水滴导致的冰霜增长情况，发现：在超疏水性表面上形成冰霜以后，因冰霜吸附过冷却水滴而导致的冰霜增长速度相对于一般表面减缓了3至5倍；其主要原因在于超疏水表面上一定密度下过冷却水滴间相互吸附的过程与一般表面相比有很大差异，从而导致了结晶和冰霜增长速度的延缓。从文献资料可看出，到目前为止此方面的研究存在以下几个特点：对于在可能导致绝缘子覆冰的环境下疏水性涂料表面的过冷确水滴冻结微观过程的研究还处在初级阶段，目前的大多数研究只考虑了个别微观结构的疏水性涂料和单一因素的作用，系统性不强，缺乏多种因素综合作用下的冻结过程

12、研究，而此前提下的冻结过程才更符合实际。就目前阅读的文献来看，对于试验所需环境的搭建还存在很多问题，例如大多数实验小范围的速冻制冷模拟覆冰环境，但这样的试验环境是否与实际结晶的环境状况相符、是否具有可重复性还有待考证。对于疏水性涂料涂覆绝缘子后其到底是否具有防冰性能还有很大争议。综上所述，无论是采用传统憎水性涂料还是新型的仿荷叶效应超疏水涂料来防止或延缓输电线路绝缘子覆冰都还有许多基础问题尚未解决，其实际的防冰性能也存在很大的争论。这些亟待解决的主要基础问题正是本项目要研究的内容。三、主要研究内容和目标（包括研究方案和技术路线）1.主要研究内容本项目的主要内容为，研究在具有不同微观结构的疏水性

13、涂层表面上过冷却水滴的微观形貌和冻结过程，具体说来就是以平板玻璃为衬垫涂覆不同微纳结构的疏水性涂层，在人工气候室覆冰环境中，不同温度、风速、过冷却水滴直径和不同水滴密度等条件下，研究过冷却水滴在疏水性涂层表面上的冻结过程、冻结时间、不同因素的影响程度，分析过冷却水滴被冻结的微观过程，不同因素的作用原理，揭示绝缘子上疏水性涂层若能达到防冰效果所需满足的微观结构特征。2.研究路线3.研究方案构建实验环境，记录结晶过程：建立人工气候室模拟覆冰环境，以平板玻璃为衬垫涂覆不同微纳结构的疏水性涂层为实验样本，在不同温度、风速、过冷却水滴直径、不同水滴数目和不同水滴密度等条件下，采用高放大倍数的电镜和摄影设

14、备观察和记录水滴的结晶过程。数据测量及处理：在试验过程中记录温度、风速、水滴直径与数目、水滴密度等环境数据；通过对录像的分析测量结冰时间、结冰表面形态等数据并画出图形。使用不同种类的数据处理方法，分析归纳出不同因素对水滴冻结的影响的公式。分析过程，得出结论：通过对录像的研究与筛选，剪辑出涂层表面完整的结冰过程，包括在单一作用因素下的结冰过程以及多种因素作用下的结冰过程。并用已归纳的公式和图像描述结冰过程在不同作用因素下的影响程度。同时，在已有的数据和录像的基础上研究过冷却水滴冻的微观过程，揭示出绝缘子上疏水性涂层表面微观结构对冻结过程的作用原理，以及疏水性涂层若能达到防冰效果所需满足的微观结构

15、特征注：如为重庆大学大学生科研训练计划（SRTP）立项项目需写明在原项目的基础上进一步深入研究的内容。四、研究计划和进度项目执行期：1年起止时间：2013年6月至2014年6月预期进度安排时间计划2013年6月9月理论和实验技巧学习阶段1.学习研究过程中所需的：材料表面微观形貌分析知识、与水滴冻结相关的热力学知识、电工学知识，以及数据处理和数学建模知识。2.了解实验设备的运行状态，学习实验环境的搭建方法，掌握与实验操作相关的必要技能。2013年10月2014年1月实验阶段1.搭建人工气候室模拟覆冰环境，分别记录过冷却水滴在不同温度（10月）、风速（11月）、过冷却水滴直径（12月）、不同水滴密

16、度（1月）下的结晶过程，记录相应数据。2.时刻关注国内外研究动态，分析对本项目的指导意义。2014年2月5月实验数据处理和分析研究阶段 1.对前期搜集到的数据进行分类处理，分析不同温度、风速、过冷却水滴直径、不同水滴密度下，过冷却水滴在疏水性涂层表面上冻结过程的录像。 2.总结出不同因素下疏水性涂层表面结冰的影响程度。2014年6月成果汇总阶段 1.总结前一阶段分析的结果，得出水滴在不同微观形貌及不同影响因素作用下的冻结过程，总结出各种因素的影响程度，并揭示绝缘子表面涂层防冰的微观形貌。 2.写出“对疏水性涂层表面过冷却水滴的冻结过程和微观形貌的研究”的研究报告，视实际研究情况发表相应层次的论

17、文。五、预期提供的成果及形式1.基于实验数据和分析结果完成一篇研究报告，其主要内容包括：分析过冷却水滴被冻结的微观过程；揭示温度、湿度、风速、过冷却水滴直径和过冷却水滴密度等多种环境因素对过冷却水滴冻结过程的影响；揭示绝缘子上不同微观结构的疏水性涂层对过冷却水滴冻结过程的影响；视实际研究情况发表不同层次的论文。2.给出过冷却水滴在不同微观结构及不同影响因素作用下的冻结过程的影像资料，以及必要的实验过程的照片和数据测量与分析的实现程序。六、项目研究支撑条件1.本研究小组的成员由电气专业的同学组成，专业知识与本课题研究方向一致，同时课题组成员具有相应的科研能力，且对疏水性涂料涂覆绝缘子后的防冰性能

18、问题的研究有浓厚兴趣，对研究项目有较深入的思考。2.拥有优秀负责的指导老师胡建林老师，男，1978年1月生，博士，副教授。2001年6月毕业于重庆大学电气工程学院电气工程及其自动化专业，并被推荐免试攻读电气工程硕士研究生，2003年5月获提前攻读电气工程博士学位资格。2003年7月留校工作，一直从事特殊(高海拔、污秽、覆冰)环境下超特高压输电外绝缘特性的研究和输电线路覆冰及其防护研究工作，主持和参加国家自然科学基金、“973”项目、十一五国家科技支撑计划、铁道部科技计划等国家、省部级及横向课题的研究40余项，在IEEE Transaction on Dielectricsand Electri

19、cal Insulation、IEEE Transaction on Power Delivery 及中国电机工程学报等国际国内刊物及国际学术会议上发表学术论文20余篇。获得国家科技进步二等奖1项，省部级科技进步一等奖3项，参与的发明专利6项。胡小华老师，男，重庆大学化学化工学院讲师。长期致力于超疏水性涂料的研究，对此方面有多年实际经验。3.胡建林老师所在的项目组长期致力于输电线路覆冰机理、除冰防冰方法以及超疏水行涂层的防覆冰或延缓覆冰的能力的研究，积累了丰富的输电线路覆冰及其防护以及关于超疏水行涂料的研究经验，也制备了多种不同微纳结构的疏水性涂料。胡建林老师主持的国家自然科学基金青年科学基金

20、项目：绝缘子疏水性涂层表面微观结构对其覆冰特性的影响研究（项目编号：51107152，起止时间：2012.012014.12）能给予我们项目很大的支持。同时，胡小华老师也致力于输电线路防覆冰涂料的研究，为我们对于本项目的研究有了一定指导基础。4.重庆大学输配电装备及系统安全与新技术国家重点实验室于1985年在国内首次建成长4m、直径2m 的多功能人工气候室后，又于2003年自筹科研经费建设了直径7.8m、高11.6m 的大型多功能人工气候室(低气压：101.330kPA；温度：-4570；相对湿度：0100%；可模拟覆冰、雨、雾等自然现象)，并已经具备了相应的直流试验电源装置及其配套设施。购置

21、了最小曝光时间3ns的超高速照相机、高放大倍数电镜等高精度测量仪器，在与本项目相关的方面有大量研究。以上各个方面均确保了我们研究工作的顺利进行。七、项目经费概算实验/记录设备购置费：3,000元原材料/试剂/药品购置费：3,000元能源/动力费：60kW*8h/天*0.5元/(kW.h)*50天=12,000元文印/资料费：500元出版物/文献/信息传播费：一级学会刊物发表论文 1 篇*1500元/篇=1,500元共计：20,000元八、其他 是否重庆大学大学生科研训练计划（SRTP）立项项目 是， 否 经费配套说明指导老师配套经费3万元，用于实验设备调试、运行、维护等支出。配套经费来源：国家自然科学基金青年科学基金项目。九、评审、审批意见学院推荐意见：主管院长签字： （公 章） 年 月 日校评审专家组评审意见：专家组组长签字： 年 月 日学校意见：主管校长签字： (公 章)年 月 日