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西華大學：一步噴涂法制備一體式隔熱超疏水光熱涂層！用于抑制風力渦輪機葉片結冰和熱老化！

2025-09-08 11:56:27 作者：本網整理來源：網絡分享至：

作為一種重要的可再生能源，風力發電具有零碳排放、生態影響小和潛在儲量巨大的優點。由于高風速、低湍流和土地可用性的影響，風力發電廠通常建在高海拔地區，那里風能資源豐富，但也往往伴隨著低溫高濕的氣候特征，為葉片表面結冰創造了有利條件。大數據顯示，結冰會以多種方式對風力渦輪機造成損壞，比如增加葉片的機械載荷、加速齒輪磨損以及提高風力測量系統故障的可能性。常見的解決方案包括但不限于機械振動除冰、電熱防/除冰和蒸汽熱防/除冰。這些方法通常需要大量的額外能量輸入，并顯著增加了風力渦輪機的制造成本。為了解決現有防冰技術的局限性，研究人員開發了各種防冰策略。其中，光熱超疏水涂層無疑是當前的研究熱點。然而，這些研究往往忽視了光熱涂層在夏季會加速基材老化這一事實。

超疏水材料的低表面能特性和粗糙的表面結構，極大地減少了液滴與表面的接觸面積，這有效地減少了冰晶的成核位置，并提高了液滴凍結的成核能壘，因此它們常被用作延遲結冰材料。引入光熱特性使得涂層的表面溫度在光照后迅速升高，這不僅有效地保持了疏水性能的穩定，還能加速凍結冰層的融化。基于這些特性，許多性能優異的光熱超疏水涂層已被開發出來。然而，這些涂層在夏季高溫下可能會導致設備加速老化的問題。因此，研究人員設計了多孔材料、干凝膠、相變微膠囊和其他低熱導率或高潛熱結構，或額外設置隔熱墊/泡沫層來阻隔熱量流向基質，從而防止熱量傳遞到下面的設備；添加隔熱層還能進一步抑制水滴在傳熱基底的凍結過程，從而抑制結冰。然而，多層結構的設計往往存在層間結合強度不足以及因厚度增加導致設備負載增大的問題；由于機械強度不足和難以粘附在形狀復雜的設備表面，泡沫材料在實際應用中也受到限制。

近期，西華大學王劍/黃敏團隊采用一步噴涂法，成功制備了一種具有隔熱性能的光熱超疏水防/除冰涂層，解決現有防/除冰材料在夏季高溫下加速設備老化的問題。

通過在中空玻璃微球（HGMs）上進行化學鍍鎳，然后與聚二甲基硅氧烷（PDMS）結合，通過噴涂法制得HGMs@Ni/PDMS涂層（簡稱為 HNP）。

所制備的HNP涂層具有優異的光熱性能，在1000W·m⁻²的光照強度下，涂層表面溫度可以在100秒內從20°C升高到66°C，除冰時間縮短了約220秒。HNP涂層還具有出色的隔熱性能，減緩了渦輪葉片的熱老化，同時有效抑制了液滴凍結過程中潛熱的釋放，使涂層在-10°C下的凍結時間接近40分鐘。HNP涂層不存在層間粘結問題，表現出優異的機械性能。即使在反復磨損、水流沖擊以及膠帶剝離后，涂層仍然保持良好的防/除冰性能。此外，HNP涂層操作簡單，原料成本低廉，適合于大面積制備。因此，本研究在風力發電領域中具有廣闊的應用前景。

制備工藝

HNP的制備工藝。

實驗現象

(a)EP、HP以及不同厚度的HNP的CA和SA；(b)HNP-3的銀鏡現象；(c)HNP-3表面不同液滴的光學圖像；(d)HNP-3表面水流的反射圖像；(e)HNP-3表面水滴粘附動力學測量圖像；(f)-10°C下不同厚度HNP的結冰時間和在-10°C + 1000W·m⁻²光照強度下的除冰時間；(g)大面積噴涂HNP涂層的光學圖像；(h)大面積噴涂的HNP涂層的疏水性能展示。

不同表面凍結水滴的光學照片

不同表面凍結水滴的光學照片。

冰滴融化照片

EP、HP和HNP-3表面50μL冰滴在-10℃、1000W·m⁻²光照強度下融化的照片。

實驗數據

(a)砂紙磨損試驗示意圖；(b)HNP-3砂紙磨損前后的CA和SA；(c)HNP-3 砂紙磨損前后的防/除冰時間；(d)水沖擊示意圖；(e)HNP-3水沖擊前后的 CA 和 SA；(f)HNP-3 水沖擊前后的防/除冰時間；(g)膠帶剝離示意圖；(h)HNP-3 膠帶剝離前后的 CA 和 SA；(i)HNP-3膠帶剝離前后的防/除冰時間；(j)HNP-3自清潔過程的光學圖像。

數據來源與出處

相關研究成果以“One-piece insulating superhydrophobic photothermal coating for suppression of icing and thermal aging of wind turbine blades”為標題發表在《Progress in Organic Coatings》上。

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