港科大《AFM》：可為高壓電線除冰/除霜的納米涂層！

WaterOff

2022-09-03 03:42:39

在寒冷的冬季，高壓架空電線路上的冰雪可能嚴(yán)重威脅電力傳輸和電信系統(tǒng)的可靠性。電線除冰的綠色技術(shù)能夠以溫和的方式有效去除電纜上的積冰或雪。然而，由于電纜表面復(fù)雜，這項技術(shù)具有很大的挑戰(zhàn)性。

來自香港科技大學(xué)的學(xué)者報告了一種與平面和復(fù)雜曲面兼容的可擴展的太陽能熱疏冰納米涂層。噴涂的納米涂層包括氮化鈦納米顆粒層作為低發(fā)射率光熱介質(zhì)和雙尺度二氧化硅顆粒作為防水層。通過高效太陽能熱轉(zhuǎn)換和對溫度不敏感的超疏水性的集體效應(yīng)，納米涂層可在低至 -15 °C 的嚴(yán)寒溫度下對電線進行有效的除冰/除霜。這種涂層的多功能性及其與大規(guī)模生產(chǎn)工藝的兼容性使得被動式太陽能驅(qū)動除冰技術(shù)有望在大多數(shù)戶外暴露表面的實際應(yīng)用中得到應(yīng)用。相關(guān)文章以“Solar Deicing Nanocoatings Adaptive to Overhead Power Lines”標(biāo)題發(fā)表在Advanced Functional Materials。

論文鏈接：

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202113297

圖1. 用于輸電線路除冰/除霜的低輻射太陽能輔助超疏水 (LE-SS) 納米涂層示意圖。LE-SS 涂層可以收集 90% 的陽光并將其轉(zhuǎn)化為熱量，但由于其6% 的低發(fā)射率，其可以通過抑制熱輻射造成的熱量損失從而保持足夠熱量。

圖2. LE-SS 涂層的制造、表征和性能。a) 使用超聲波噴涂機制造 LE-SS 涂層的過程。b) Al 上的大面積 LE-SS 納米涂層，具有優(yōu)異的防水性。c) 由雙尺度 SiO₂顆粒構(gòu)成的分級形態(tài)的 SEM 圖像。d) 500 到 80nm SiO₂顆粒在 25 °C（紅線）和 0 °C（藍線）下不同質(zhì)量比的水接觸角。e）具有三次鍍膜的500至80 nmSiO₂顆粒的不同質(zhì)量比的紅外發(fā)射率光譜。f) 鋁上的 LE-SS 涂層和原始鋁板的吸收率/發(fā)射率光譜，以及 AM1.5 G 太陽光譜和25 °C 時的黑體輻射光譜。

圖3. LE-SS 涂層與平面和曲面的兼容性。a) LE-SS 涂層在各種平面（304 鋼、Cu 和 Ag/玻璃）上的超疏水性的演示。b) 彎曲銅管上 LE-SS 涂層的演示。c) LE-SS 涂層 ACSR 電纜的演示。d) LE-SS 涂層 ACSR 電纜在不同太陽能強度（1 sun 為 1.0 kW m^–2）下的溫升（Δ T ，相對于環(huán)境）。e)本文的 LE-SS 涂層在各種平面和曲面上的溫升 ( ΔT ) 以及在1 太陽光照下的原始表面的溫升。

圖4. LE-SS 涂層 ACSR 電纜的太陽能除冰性能。側(cè)視圖圖像序列顯示了 a) LE-SS 涂層電纜和 b) 原始電纜在 -15 °C 的低環(huán)境溫度下在 1 陽光照射下的除冰過程。c）除冰實驗裝置示意圖，其中電纜由隔熱聚苯乙烯泡沫塑料懸掛。電纜正上方的太陽模擬器用于提供太陽輻射。腔室溫度控制在 -15 ± 1 °C。d) 在相對較弱的太陽光照下的除冰溫度。太陽強度范圍：0.4–1.0 kW m ^-2。

圖5. LE-SS 涂層 ACSR 電纜的太陽能除霜性能。側(cè)視圖圖像序列顯示了 a) LE-SS 涂層電纜和 b) 原始電纜在 -15 °C 的低環(huán)境溫度下在 1 太陽光照射下的除霜過程。c) 電纜上除霜前/后的殘留水量，以及它們的質(zhì)量差。d) LE-SS 涂層電纜的 10 個結(jié)霜/除霜周期的除霜時間，以及每個周期后測量的 1-sun 穩(wěn)態(tài)表面溫度。

本文開發(fā)了一種在中紅外區(qū)域透明的超疏水太陽能-熱冷冰涂層，其可以產(chǎn)生低的發(fā)射率。該多功能涂層由作為太陽能吸收材料的氮化鈦納米粒子和雙尺度 SiO₂組成顆粒在很寬的溫度范圍內(nèi)作為超疏水層。溶液處理的涂層與電線電纜等平面和復(fù)雜曲面兼容。疏冰涂層的平均太陽能吸收率為 90%，而紅外發(fā)射率僅為 6%，因此大大抑制了輻射熱損失，在 1 個太陽下產(chǎn)生了72°C 的創(chuàng)紀(jì)錄高溫。涂層的除冰和除霜能力在電線電纜上得到了證明。在 -15 °C 時，在 860 秒內(nèi) 1太陽光照射下，從涂層電纜上成功去除了積冰，并且使表面保持干燥，沒有任何水殘留。另外，該涂層不僅顯著減緩了霜的形成，而且在-15°C時也能快速除霜（515秒）。（文：SSC）